Gli elettroni con energie record catturati dai telescopi

Fig. 2: Rappresentazione artistica di un pulsar rotante con il suo intenso campo magnetico che ruota intorno ad esso. Le nubi di particelle cariche si muovono lungo le linee del campo e i loro raggi gamma vengono emessi come la luce di un faro dai campi magnetici. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab / Fig. 2: Immagine artistica di un pulsar con il suo potente campo magnetico che ruota intorno ad esso. Le nubi di particelle cariche che si muovono lungo le linee del campo emettono raggi gamma che vengono focalizzati dai campi magnetici, un po' come i raggi di luce di un faro. In questi campi magnetici, vengono create e accelerate coppie di positroni ed elettroni, rendendo i pulsar potenziali fonti di elettroni e positroni cosmici ad alta energia. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Fig. 1: Visualizzazione della disposizione dei telescopi H.E.S.S. per la rilevazione delle cascate di particelle generate da elettroni e positroni cosmici ad alta energia, nonché da raggi gamma. © MPIK/H.E.S.S. Collaboration / Fig. 1: Visualizzazione dell'array di telescopi H.E.S.S. che cattura le cascate di particelle prodotte da elettroni e positroni cosmici ad alta energia, così come dai raggi gamma. © MPIK/H.E.S.S. Collaboration

Fig. 3: Spettro energetico del CRe. I cerchi rossi indicano i candidati CRe misurati da H.E.S.S.. La banda rossa scura corrisponde alla legge di potenza spezzata adattata ai dati, dove la larghezza della banda corrisponde agli errori statistici delle misurazioni. La banda azzurra chiara indica l'intervallo stimato del flusso CRe effettivo, tenendo conto della contaminazione da CRn così come degli errori statistici e sistematici.

Scienziat* delle collaborazioni H.E.S.S., tra cui un consorzio di università tedesche, il Max-Planck-Institut für Kernphysik e il CNRS in Francia, hanno recentemente identificato gli elettroni e positroni più energetici mai misurati sulla Terra. Forniscono prove di processi cosmici che rilasciano enormi quantità di energia, di cui ancora si ignora l’origine. Questi risultati saranno pubblicati il 25 novembre sulla rivista Physical Review Letters.

L’universo è pieno di ambienti estremi, dalle temperature più fredde alle fonti più energetiche. Oggetti estremi come resti di supernova, pulsar o nuclei galattici attivi possono generare particelle cariche e raggi gamma, le cui energie superano di ordini di grandezza quelle raggiunte nei processi termici come la fusione nucleare nelle stelle.

Mentre la luce gamma emessa attraversa indisturbata lo spazio, le particelle cariche — chiamate anche raggi cosmici — vengono deviate dai campi magnetici onnipresenti nell’universo e raggiungono la Terra uniformemente da tutte le direzioni. Inoltre, queste particelle cariche perdono energia attraverso l’interazione con luce e campi magnetici. Questi perdite sono particolarmente intense per gli elettroni e positroni più energetici, con energie superiori a Tera-Elettronvolt (1 TeV = 10^12 elettronvolt), i cosiddetti elettroni dei raggi cosmici (CRe). La loro rilevazione sulla Terra è quindi un chiaro segnale dell’esistenza di potenti acceleratori cosmici nelle vicinanze del nostro sistema solare, anche se non possono essere usati per determinare con precisione la loro origine nello spazio.

Tuttavia, la rilevazione di queste particelle ad alta energia è difficile: i telescopi spaziali con una superficie di circa un metro quadrato non riescono a catturare abbastanza di queste rare particelle. Gli strumenti terrestri possono rilevare le cascate di particelle generate dall’impatto dei raggi cosmici sull’atmosfera terrestre, ma devono distinguere tra le cascate causate da elettroni o positroni e quelle generate da nuclei più pesanti, molto più frequenti. Nel 2008, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a identificare questi CRe nei dati del telescopio Cherenkov H.E.S.S. a terra.

L’osservatorio H.E.S.S. in Namibia utilizza cinque grandi telescopi Cherenkov per catturare la debole luce Cherenkov prodotta da particelle e fotoni accelerati che attraversano l’atmosfera terrestre, generando una cascata di particelle (Fig. 1). Sebbene l’obiettivo principale dell’osservatorio sia la rilevazione, selezione e mappatura di raggi gamma, i dati possono essere usati anche per la ricerca di elettroni cosmici.

In una nuova analisi, presentata ora dai ricercatori della collaborazione H.E.S.S., sono state acquisite nuove conoscenze sull’origine di queste particelle. Gli astrofisici hanno riesaminato il vasto insieme di dati raccolti nel corso di oltre un decennio da quattro dei telescopi H.E.S.S., applicando algoritmi di selezione innovativi e rigorosi per identificare elettroni cosmici con un livello di contaminazione di sfondo senza precedenti. Ciò ha portato a un set di dati statistici senza precedenti per l’analisi degli elettroni cosmici. In particolare, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a ottenere dati CRe fino a energie di 40 TeV (Tera-Elettronvolt).

"Osserviamo che lo spettro energetico dei CRe mostra un calo graduale con l’aumentare dell’energia, ma intorno a 1 Tera-Elettronvolt lo spettro diventa improvvisamente molto più ripido. Sia sopra che sotto questa rottura, lo spettro segue una legge di potenza e non presenta altre anomalie, come previsto da molti modelli di accelerazione dei CRe", nota Mathieu de Naurois del Laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique, CNRS, uno degli autori principali dello studio.

Gli scienziati hanno tuttavia osservato che il passaggio da uno spettro piatto a uno ripido intorno a 1 TeV è sorprendentemente netto.

"Questo è un risultato importante, perché ci permette di dedurre che la radiazione cosmica misurata proviene molto probabilmente da alcune poche fonti nelle vicinanze del nostro sistema solare, distanti al massimo qualche migliaio di anni luce — una distanza molto piccola rispetto alle dimensioni della nostra galassia. Le emissioni di molte fonti a distanze diverse mescolerebbero molto di più questo segnale", spiega Kathrin Egberts dell’Università di Potsdam, un’altra autrice principale dello studio. "Con la nostra analisi dettagliata, siamo riusciti per la prima volta a restringere fortemente l’origine di questi elettroni cosmici."

Il Prof. Werner Hofmann del Max-Planck-Institut für Kernphysik di Heidelberg spiega l’importanza di questa nuova analisi per la ricerca astrofisica: "Le bassissime flussi di alta energia limitano molto le possibilità delle missioni spaziali di effettuare misurazioni simili. La nostra analisi fornisce ora dati in un intervallo energetico decisivo e finora inesplorato, che influenza la nostra comprensione dell’ambiente locale. Probabilmente rappresenterà uno standard in questo campo per un certo tempo", conclude.

L’osservatorio H.E.S.S.

Le alte energie dei raggi gamma possono essere osservate dalla Terra solo con un trucco. Quando un raggio gamma entra nell’atmosfera, collide con atomi e molecole, generando nuove particelle che si muovono come una valanga verso il suolo. Queste particelle emettono lampi di luce che durano pochi miliardesimi di secondo (radiazione Cherenkov) e possono essere osservati con grandi telescopi appositamente attrezzati a terra. L’astronomia a raggi gamma ad alta energia utilizza quindi l’atmosfera come uno schermo di grandezza immensa. L’osservatorio H.E.S.S. nel Khomas-Hochland in Namibia, a 1835 m di altezza, è stato ufficialmente inaugurato nel 2002. È composto da un array di cinque telescopi: quattro con diametro di 12 m ai vertici di un quadrato e un altro da 28 m al centro. Grazie a questa configurazione, può rilevare raggi gamma cosmici con energie che vanno da alcune decine di Gigaelettronvolt (GeV, 10^9 eV) fino a qualche decina di Teraelettronvolt (TeV, 10^12 eV). Per confronto, le particelle della luce visibile hanno energie di due o tre elettronvolt. H.E.S.S. è attualmente l’unico strumento in grado di osservare il cielo australe in raggi gamma ad alta energia, ed è anche il più grande e sensibile sistema di telescopi di questo tipo.

Bibliografia:
Misurazione ad alta statistica dello spettro degli elettroni dei raggi cosmici con H.E.S.S.
H.E.S.S. Collaboration. Physical Review Letters, 25 novembre 2024.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221001
arXiv: http://arxiv.org/abs/2411.08189