Gli astronomi hanno osservato una pulsar vicina con uno strano alone attorno. Quella pulsar potrebbe rispondere a una domanda che è perplessa da parte degli astronomi. La pulsar si chiama Geminga, ed è una delle pulsar più vicine alla Terra, a circa 800 anni luce di distanza nella costellazione dei Gemelli. Non solo è vicino alla Terra, ma la Geminga è anche molto luminosa nei raggi gamma.
L'alone stesso è invisibile ai nostri occhi, ovviamente, poiché è nelle lunghezze d'onda gamma. (Lo ha scoperto il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA.) Ma è grande, copre tanto del cielo quanto 40 lune piene.
L'alone potrebbe essere responsabile di alcuni eventi in atto nel nostro vicinato: c'è un'abbondanza di antimateria vicino alla Terra e la sua presenza ha sconcertato gli scienziati per un decennio.
"La nostra analisi suggerisce che questa stessa pulsar potrebbe essere responsabile di un decennio di enigmi sul perché un tipo di particella cosmica è insolitamente abbondante vicino alla Terra", ha detto Mattia Di Mauro, un astrofisico presso la Catholic University of America a Washington e Goddard Space della NASA Centro di volo a Greenbelt, nel Maryland. "Questi sono positroni, la versione antimateria degli elettroni, provenienti da qualche parte oltre il sistema solare."
Una pulsar è il residuo di una stella massiccia che è diventata supernova. La Geminga è il risultato di un'esplosione di supernova circa 300.000 anni fa nella costellazione dei Gemelli. È una stella di neutroni rotante che è orientata in un certo modo verso la Terra, in modo che la sua energia sia diretta verso di noi come un ampio faro.
Una pulsar è naturalmente circondata da una nuvola di elettroni e positroni. Questo perché una stella di neutroni ha un intenso campo elettromagnetico, il più forte di qualsiasi oggetto conosciuto. Il campo super-forte estrae le particelle dalla superficie della pulsar e le accelera quasi alla velocità della luce.
Queste particelle in rapido movimento, compresi gli elettroni e le loro controparti antimateria, i positroni, sono raggi cosmici. Poiché i raggi cosmici portano una carica elettrica, sono soggetti agli effetti dei campi magnetici. Quindi quando i raggi cosmici raggiungono la Terra, gli astronomi non possono individuare la loro fonte.
Negli ultimi dieci anni, diversi osservatori ed esperimenti hanno rilevato più positroni ad alta energia nelle nostre vicinanze del previsto. Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, lo spettrometro alfa-magnetico della NASA e altri esperimenti li hanno tutti rilevati. Gli scienziati si aspettavano che le pulsar vicine, compresa la Geminga, fossero la fonte. Ma a causa del modo in cui questi positroni sono influenzati dai campi magnetici, non è stato possibile provarlo.
Fino al 2017.
In quell'anno, l'Osservatorio dei raggi gamma Cherenkov ad alta altitudine (HAWC) confermò ciò che avevano trovato alcuni rilevamenti terrestri: un piccolo ma intenso alone di raggi gamma attorno a Geminga. L'HAWC ha rilevato energie nella struttura dell'alone di 5 - 40 TeV, o tera-elettroni Volt. Quella è luce con migliaia di miliardi di volte più energia di quella che i nostri occhi possono vedere.
Inizialmente, gli scienziati hanno pensato che l'alone ad alta energia sia causato da elettroni accelerati e positroni che si scontrano con la luce delle stelle, il che aumenterebbe la loro energia e li renderebbe super luminosi. Quando una particella carica trasferisce parte della sua energia a un fotone, si chiama scattering Inverse-Compton.
Ma il team che utilizza HAWC per osservare Geminga e il suo alone è giunto a una conclusione: quei positroni ad alta energia raggiungevano la Terra solo raramente, in base alle dimensioni dell'alone. Quindi doveva esserci un'altra spiegazione per l'abbondanza di positroni vicino alla Terra.
Gli scienziati che studiano la presenza di positroni vicino alla Terra non hanno ancora cancellato le pulsar dalla loro lista. E come una pulsar vicina e luminosa, Geminga attirava ancora il loro interesse.
Mattia Di Mauro ha guidato un piccolo team di scienziati che ha studiato un decennio di dati Geminga dal LAT (Large Area Telescope) di Fermi. LAT osserva una luce a bassa energia rispetto a HAWC. Di Mauro è l'autore principale di un nuovo studio che presenta questi risultati. Lo studio si intitola "Rilevazione di un alone di raggi X attorno a Geminga con i dati di Fermi-LAT e le implicazioni per il flusso di positroni". L'articolo è pubblicato su Physics Review.
Una delle coautrici dell'articolo è Silvia Manconi, ricercatrice post-dottorato presso la RWTH Aachen University in Germania. In un comunicato stampa, Manconi ha dichiarato: “Per studiare l'alone, abbiamo dovuto sottrarre tutte le altre fonti di raggi gamma, compresa la luce diffusa prodotta dalle collisioni di raggi cosmici con nuvole di gas interstellari. Abbiamo esplorato i dati utilizzando 10 diversi modelli di emissione interstellare. "
Una volta che il team ha sottratto tutte le altre fonti di raggi gamma nel cielo, i dati hanno rivelato una vasta struttura oblunga; un alone intorno a Geminga. La struttura ad alta energia copriva 20 gradi nel cielo a 20 miliardi di volt di elettroni e un'area ancora più grande con energie più basse.
La coautrice dello studio Fiorenza Donato è dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e dell'Università di Torino. Nel comunicato stampa, Donato ha affermato: “Le particelle di energia inferiore viaggiano molto più lontano dalla pulsar prima di correre alla luce delle stelle, trasferire parte della loro energia su di essa e aumentare la luce ai raggi gamma. Questo è il motivo per cui l'emissione di raggi gamma copre un'area più ampia a energie più basse ”, ha spiegato Donato. "Inoltre, l'alone di Geminga è in parte allungato a causa del movimento della pulsar attraverso lo spazio."
Il team ha confrontato i dati LAT con i dati HAWC e ha concluso che i set di dati corrispondevano. Hanno anche scoperto che la vicina e brillante Geminga potrebbe essere responsabile fino al 20% dei positroni ad alta energia osservati nell'esperimento AMS-02. Estrapolando da questo a tutte le emissioni cumulative di pulsar nella Via Lattea, il team afferma che le pulsar rimangono la migliore spiegazione per il mistero originale: la fonte di tutti quei positroni vicino alla Terra.
"Il nostro lavoro dimostra l'importanza di studiare le singole fonti per prevedere come contribuiscono ai raggi cosmici", ha detto Di Mauro. "Questo è un aspetto dell'eccitante nuovo campo chiamato astronomia multimessenger, in cui studiamo l'universo utilizzando più segnali, come i raggi cosmici, oltre alla luce."
Di Più:
- Comunicato stampa: la missione Fermi della NASA collega il vicino raggio gamma "Halo" di Pulsar al puzzle dell'antimateria
- Research Paper: Rilevazione di un alone? -Ray attorno a Geminga con i dati di Fermi-LAT e le implicazioni per il flusso di positroni
- Wikipedia: Compton Scattering
