Raggi cosmici.
Questo è il nome delle particelle cariche che esplodono nella nostra galassia. Si muovono velocemente. Più veloce di qualsiasi cosa gli esseri umani abbiano costruito sulla Terra. Il Large Hadron Collider è impressionante. Queste particelle ne ridono.
Per lo più sono protoni. Alcuni elettroni, certo. Ma i protoni.
Per decenni gli astronomi sapevano che doveva esserci una fonte. Un acceleratore cosmico. Un “PeVatron”. Il problema era dimostrarlo. Non puoi semplicemente guardare il cielo e dire: “Sì, sono protoni”. Non senza confondersi.
Lo ha fatto un team internazionale guidato dall’Università di Hiroshima. Hanno confermato che un oggetto chiamato LHAASO J1911+1014u è effettivamente un protone PeVatron. Questa non è un’ipotesi. Non è un “forse”. È la fonte di protoni con la più alta energia che abbiamo individuato finora nella Via Lattea.
Perché il problema dei protoni è importante
Ecco l’ostacolo tecnico: i raggi gamma.
I raggi gamma sono luce ad alta energia. Nascono quando i raggi cosmici si infrangono sulle cose. Di solito gas. A volte campi magnetici. Il problema? Sia i protoni che gli elettroni creano raggi gamma.
Se vedi un’esplosione di raggi gamma, come fai a sapere quale particella l’ha causata?
Gli elettroni sono subdoli. Possono imitare le firme dei protoni. Ciò ha reso quasi impossibile per molto tempo la conferma di un “protone PeVatron”. Un PeVatron accelera i protoni a energie superiori a un peta-elettronvolt (un quadrilione di eV). Questo è enorme. È il tetto energetico per gli acceleratori di particelle standard della nostra galassia.
“Trovare un acceleratore di protoni di raggi cosmici al di sopra del livello di PeVeV… è uno degli argomenti più interessanti dell’astrofisica moderna”, ha detto Tsunefumi Mizuno. Mizuno è l’autore principale e professore associato presso il Centro di scienze astrofisiche di Hiroshima.
Avevamo dei candidati. Decine di loro. Ma nessuna prova. LHAASO J1991+1014a sedeva lì, brillando di energia superiore a 0,1 PeV. Ma senza una chiara differenziazione tra fonti di protoni ed elettroni, è rimasto un sospettato, non un condannato.
Tre frecce, un bersaglio
Mizuno ha citato un vecchio proverbio giapponese. “Una freccia è facile da spezzare. Tre messe insieme, non così tanto.”
Ha applicato quella logica. Invece di fare affidamento su un unico strumento, il team ha raggruppato tre set di dati distinti. Dovevano escludere gli elettroni e isolare i protoni.
- Raggi gamma dallo spazio: il Fermi Large Area Telescope della NASA ha misurato raggi gamma intorno a 1 GeV. Sono un miliardo di elettronvolt.
- Onde radio dalla terra: l’indagine FOREST del Giappone utilizzando il telescopio Nobeyama da 45 metri ha mappato il gas interstellare.
- Raggi X dallo spazio: l’Osservatorio Chandra della NASA ha osservato deboli emissioni di raggi X.
I risultati? Hanno escluso gli elettroni. Tacchino freddo.
La pistola fumante: gas, raggi gamma e silenzio
Come facevano a sapere che non erano elettroni?
Indizio 1: la durata dell’energia.
L’emissione di raggi gamma non si è fermata. Si estendeva continuamente da oltre 100 trilioni di eV fino a 400 milioni di eV. Secondo la fisica, un acceleratore di elettroni non dovrebbe avere il potere di sostenere quella forma. I protoni potrebbero.
Indizio 2: la mappa del gas.
Fermi vide i raggi gamma. FUGIN ha visto dense nubi di gas interstellare. Le mappe corrispondevano perfettamente. I protoni ad alta energia si scontrano con il gas. Il gas colpisce il gas. I raggi gamma esplodono. Se fossero elettroni, la mappa apparirebbe diversa. Gli elettroni non interagiscono con il gas per creare raggi gamma allo stesso modo. Interagiscono con la luce e i campi magnetici. La correlazione era innegabile.
Indizio 3: La mancanza di rumore.
Questo è quello sottile. Se avessi una popolazione di elettroni ad alta energia, Chandra avrebbe visto forti raggi X diffusi. Gli elettroni si muovono a spirale nei campi magnetici e urlano nei raggi X. Chandra non vide… quasi nulla. Emissione molto debole. Silenzio dove dovrebbe esserci rumore.
“Tre prove puntavano al protone PeVatron”, ha detto Mizuno.
Sono stati esclusi gli elettroni. La correlazione del gas ha confermato i protoni. Il silenzio di Chandra lo suggellò.
LHAASO J11+101u: Dove e cosa
L’oggetto si trova all’Aquila. Vicino ad Altair. Questa è la stella luminosa che completa il triangolo estivo. Conosciamo tutti quel triangolo dalle notti di luglio.
Inizialmente gli astronomi pensavano che si trattasse di un resto di supernova. Solo una stella morta che si stacca dalle sue viscere. Ma poi hanno rilevato emissioni superiori a 100 TeV (trilioni di elettronvolt). Ciò ha cambiato la narrazione.
Non è solo un residuo. È un acceleratore funzionante.
Lo studio, pubblicato su The Astrophysical Journal, utilizza ciò che il team chiama “modellazione completa multilunghezza d’onda”. Questo è un modo elegante per dire che hanno esaminato la fonte nella luce radio, nei raggi X e nei raggi gamma e hanno forzato i dati a dare un senso. C’è una sola spiegazione adatta: l’accelerazione del protone.
Oltre l’Unica Fonte
Questo non finisce qui.
La Via Lattea è piena di queste cose. Decine di altri potenziali PeVatron protonici sono stati segnalati da LHAASO. Ora abbiamo un modello. Un esempio confermato. Una linea di base.
“Ora intendiamo esaminare questi candidati in modo sistematico”, ha osservato Mizuno.
Stiamo passando dall’ipotesi alla verifica. Il prossimo passo è scoprire quali delle altre macchie luminose nella nostra galassia stanno effettivamente spingendo i protoni a velocità di quadrilioni di elettronvolt.
Fino ad allora, sappiamo una cosa per certo. Lo spazio sta accelerando i protoni più velocemente di quanto avessimo mai immaginato. E ora, finalmente, possiamo dimostrarlo.
“Questa ricerca è ottenuta grazie al lavoro di squadra”, ha affermato Mizuno. “Una freccia è facile da spezzare…”
Tre frecce. In bundle. Confermato.
