I raggi cosmici dalla lontanissima galassia per svelare l’universo

SCOPERTE – Prendete una collaborazione internazionale di 400 scienziati da 18 Paesi, dategli un osservatorio con rivelatori a luce Cherenkov immersi in contenitori che contengono tonnellate di acqua raggruppati in un’area grande come la Valle d’Aosta e attendete l’arrivo di 30 000 raggi cosmici. Questo è il lavoro svolto dalla Pierre Auger Collaboration che dopo 12 anni di misurazioni ha dimostrato per la prima volta che i raggi cosmici ad alte energie che arrivano sulla Terra non provengono dalla nostra galassia, ma da una sorgente extragalattica molto molto lontana. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science.

Il progetto nasce nel 2001, con la costruzione dell’osservatorio Pierre Auger in Argentina per dare la caccia ai raggi cosmici. Il motivo? Queste particelle cariche sono costituite dai nuclei degli elementi chimici, come idrogeno o ferro, e sono in grado letteralmente di attraversarci e permeano l’universo intero, portando con sé preziose informazioni e le risposte ai più importanti interrogativi dell’astrofisica moderna. Carl Sagan, astronomo, una volta disse: “L’azoto nel nostro DNA, il calcio nei nostri denti, il ferro nel nostro sangue e il carbonio nelle nostre torte di mela sono fatti nel profondo di stelle collassate. Siamo fatti di avanzi di stelle”.

Studiare e comprendere la natura dei raggi cosmici dunque ci permetterebbe d rispondere a questioni fondamentali non solo sull’origine dell’universo, ma anche della nostra galassia e della specie umana.

Che cosa sono i raggi cosmici?

Queste particelle cariche vengono prodotte anche dal nostro Sole e dal centro della Via Lattea, la galassia in cui si trova il nostro Sistema Solare, ma ad attirare l’attenzione degli scienziati sono stati i raggi cosmici ad alta energia, che provengono da una galassia molto molto lontana. Si tratta di particelle formate da nuclei degli elementi e rappresentano un importante strumento per comprendere sia la materia, sia il suo funzionamento, al di fuori della nostra galassia.

Gli scienziati hanno concentrato le loro osservazioni su raggi cosmici con energie superiori ai 2 Joule e che sono molto difficili da rilevare, dato che la loro frequenza di arrivo nell’atmosfera terrestre è di appena un evento per chilometro quadrato l’anno, insomma come se una particella di questo tipo colpisse un campo da calcio una volta ogni oltre 100 anni.

Altra difficoltà è la loro alta interazione con gli altri nuclei presenti nell’atmosfera, interazioni che danno vita a sciami di elettroni, muoni e fotoni che si espandono alla velocità della luce in una struttura a disco che ricorda un piatto dal diametro di diversi chilometri che contine fino a 10 miliardi di particelle che poi raggiungono il suolo.

Dare la caccia ai raggi cosmici: l’osservatorio Auger

Per dare la caccia a queste particelle, nel 2001 è iniziata la costruzione dell’osservatorio Pierre Auger in Argentina, guidata dal premio Nobel per la fisica James Cronin dell’università di Chicago, morto nel 2016, e da Alan Watson dell’Università di Leeds in Gran Bretagna. Dopo l’entrata in funzione, l’osservatorio ha raccolto oltre 30 000 eventi in 12 anni e per farlo si è affidato a 1600 rivelatori a luce Cherenkov, ognuno contenuto in una grande struttura che contiene 12 tonnellate di acqua, e che sono inseriti in una griglia esagonale di oltre 3000 chilometri quadrati, una superficie paragonabile alla Valle d’Aosta.

Il gruppo di ricercatori ha misurato la luce Cherenkov prodotta nei rivelatori e utilizzando altri telescopi ha collezionati anche i dati relativi alla debole luce fluorescente emessa dal passaggio di queste particelle cariche nell’atmosfera durante la notte. Per determinare il tempo di arrivo delle particelle invece sono stati usati dei ricevitori GPS, che hanno permesso anche di stabilire la direzione di arrivo dei raggi cosmici.

Dove nascono i raggi cosmici?

Dopo aver collezionato ben 30 000 eventi di osservazione di raggi cosmici, gli scienziati della collaborazione hanno scoperto un’anisotropia: le particelle non arrivavano indistintamente da tutte le direzioni, anzi c’era una regione di cielo dal quale si concentravano gli arrivi e che era posizionata ad un angolo di 90 gradi rispetto al centro della Via Lattea, ipotizzato in precedenti teorie come origine dei raggi cosmici. La conclusione possibile dunque era solo una: che i raggi cosmici ad alta energia fossero prodotti da una sorgente extragalattica.

Anche se i ricercatori sono stati in grado di definire la porzione di cielo da cui le particelle arrivavano, l’area si è rivelata troppo grande per poter stabilire quale fosse la sorgente specifica, che così rimane sconosciuta. Per via delle alte energie e della carica elettrica delle particelle, queste interagiscono con i campi magnetici galattici e vengono deflesse: una circostanza che rende ancora più arduo il lavoro degli scienziati di identificarne con precisione l’origine.

Gregory Snow, professore di fisica della University of Nebraska-Lincoln e coordinatore del progetto dell’osservatorio Pierre Auger, ha spiegato l’importanza di avere una conferma che la provenienza dei raggi cosmici è di natura extragalattica e soprattuto cosa rappresentano per l’astrofisica moderna: “Scoprire l’origine di queste particelle ci fa ben sperare di compiere importanti passi avanti nella comprensione dell’origine dell’universo, del Big Bang, di come le galassie e i buchi neri si siano formati e di altri segreti del cosmo. Questi d’altronde sono solo alcuni dei più importanti interrogativi in astrofisica”.

Inoltre se il Sole emette raggi cosmici di bassa energia, che vengono facilmente rivelati sulla Terra, osservare questo tipo di particelle altamente energetico implica che la loro origine abbia una nascita “violenta”. “Le particelle che noi riveliamo sono così energetiche che devono provenire da fenomeni astrofisici che sono estremamente violenti”, spiega Snow. “Per esempio, le particelle potrebbero essere accelerate dai buchi neri massivi e dalle esplosioni nel centro di altre galassie, acquisendo così altissime energie che permettono loro di raggiungere la Terra”.

Osservatorio Pierre Auger: upgrade per continuare la caccia

La Pierre Auger Collaboration è riuscita in questi anni a osservare anche raggi cosmici con energie superiori a quelle dello studio appena pubblicato e proprio lo studio di queste particelle potrebbe essere il prossimo passo da seguire. L’altissima energia infatti implica una deviazione minore da parte dei campi magnetici intergalattici e offre un’opportunità concreta di riuscire a individuare con precisione la sorgente in cui vengono prodotti.

Proprio per questo motivo l’osservatorio Pierre Auger sta per essere sottoposto a un miglioramento, che sarà completato entro il 2018, in cui i vecchi circuiti realizzati da David Nitz, professore di fisica della Michigan Technological University, saranno sostituiti con dei nuovi in grado di processare il segnale in modo più veloce e accurato. Nitz ha sviluppato l’elettronica del sistema di rivelatori e ha scritto il codice dei circuiti che convertono la luce Cherenkov in segnali digitali, permettendo così all’hardware di prendere decisioni molto veloci se valga la pena o meno approfondire le misurazioni sul singolo segnale appena registrato. “Mi sono davvero divertito in questo tipo di ricerca, ma sono un tipo pratico”, ha commentato Nitz. “Io visualizzo il modo in cui arrivare dalla teoria alla costruzione di uno strumento che ci permetta di raccogliere i dati di cui abbiamo bisogno e questo è quello che ho fatto in tutta la mia carriera: capire come affrontare ogni tipo di misurazioni necessarie”.

Proprio per affinare le capacità di misurazione dell’osservatorio, i nuovi circuiti saranno in grado di processare il segnale in modo più veloce e accurato e di incorporare i segnali da rivelatori addizionali: per questo saranno aggiunti degli scintillatori che si trovano sulla superficie di ogni rilevatore già in uso e un quarto tubo fotomoltiplicatore a ogni rilevatore. La caccia ai raggi cosmici provenienti dalla lontanissima galassia è appena iniziata.

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