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L’Osservatorio Pierre Auger svela il mistero

dell’origine dei raggi cosmici di altissima energia

 La notizia ha rapidamente attratto l’attenzione della comunità scientifica internazionale ed in particolare degli esperti nel settore della fisica dei raggi cosmici, dell’astrofisica  e delle particelle elementari.  I fisici della collaborazione Pierre Auger hanno annunciato oggi (8 Novembre 2007) che il flusso dei raggi cosmici di altissima energia non è isotropo e che le direzioni di arrivo sono in stretta correlazione con le posizioni dei Nuclei Galattici Attivi (AGN). Tali galassie, al cui interno si trova un buco nero, potrebbero essere quindi le sorgenti della radiazione cosmica alle energie più elevate. Questo risultato sarà pubblicato sull’autorevole rivista Science (vol. 318, issue 5852, 9 Novembre 2007).

Cosa è l’Osservatorio Pierre Auger, dove e come opera? Cosa sono i raggi cosmici e perchè sulla loro origine aleggia (o aleggiava) un mistero? E soprattutto, qual è la portata di questa scoperta, e quali sono le implicazioni dal punto di vista scientifico?

 I raggi cosmici

 I raggi cosmici sono essenzialmente protoni e nuclei atomici completamente ionizzati. Si tratta di particelle che attraversano lo spazio interstellare con velocità prossime a quelle della luce.

Nell’impatto con l’atmosfera terrestre generano una cascata di particelle secondarie (in numero proporzionale alla loro energia) denominata “sciame atmosferico”. Le osservazioni effettuate sulla superficie terrestre sono dunque una misura indiretta delle proprietà della particella primaria. Una misura di tipo indiretto è l’unica alternativa percorribile. Non si può ricorrere all’utilizzo dei satelliti, poiché, per le ovvie complessità di gestione e “manovra” nello spazio, ciò limiterebbe le dimensioni del rivelatore rendendolo inefficiente per l’osservazione di eventi di altissima energia.

Infatti il flusso di raggi cosmici (ovvero il numero di particelle primarie che raggiunge l’atmosfera nell’unità di tempo e superficie) si estende su un intervallo di energie molto ampio (oltre 11 ordini di grandezza) ed è fortemente correlato alla loro energia (si riduce secondo una legge di potenza) .

Alle energie più basse la Terra è raggiunta da circa una particella/m2/s e tale numero si riduce a sola una particella/km2/secolo alle altissime energie.

L’osservazione di eventi così rari richiede quindi una superficie ed un tempo di indagine molto grandi, al fine di incrementare la significatività del campione statistico rivelato.

L’Osservatorio Pierre Auger è dedicato alla rivelazione di eventi di altissima energia, tra 1018 e 1020  eV (1 eV – elettronvolt – è l’energia acquistata da un elettrone quando passa attraverso una differenza di potenziale elettrico di 1 Volt). Per dare una misura concreta  di quale siano le energie in gioco,  una particella primaria (di massa tipicamente pari ad un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di grammo) osservata da Auger possiede la stessa energia di una pallina da tennis lanciata ad una velocità di circa 100 km/h. Dunque, in questo contesto, energie macroscopiche sono associate a particelle microscopiche.

L’Osservatorio Pierre Auger

 L’Osservatorio Pierre Auger è situato nella pampa argentina, nella provincia di Mendoza, su un altopiano alla base della cordigliera delle Ande (ad una quota di 1400 metri sul livello del mare)  scarsamente popolato e caratterizzato da un’atmosfera estremamente trasparente.

Il rivelatore si estende su una superficie di 3000 km2  (pari all’intera provincia di Lecce) ed utilizza una rete di 1600 rivelatori di particelle posti a distanza di 1.5 km. Simultaneamente (nelle notti senza luna e senza nuvole), 24 telescopi di nuova concezione, rivelano la luce di fluorescenza prodotta dall’azoto atmosferico ionizzato al passaggio delle particelle dello sciame. Di fatto l’osservatorio possiede dunque due tecniche di misura distinte e complementari.

Il rivelatore di fluorescenza osserva lo sviluppo dello sciame e ne misura l’energia.   Il rivelatore di superficie misura l’“orma” dello sciame a terra, determinandone la dimensione (sciami di alta energia possono estendersi su aree fino a 40 km2). Eventi osservati contemporaneamente dai due rivelatori sono detti “ibridi”. La combinazione delle informazioni dei due rivelatori accresce notevolmente le potenzialità dell’osservatorio Auger.

 

Origine dei raggi cosmici

La letteratura è ricca di molte ipotesi a riguardo. Tutti i modelli proposti prevedono tuttavia che le sorgenti dei raggi cosmici debbano essere degli enormi serbatoi di energia, in grado di erogare nell’arco di un secondo una quantità pari a 100.000 miliardi di volte il fabbisogno energetico annuo dell’intero pianeta.  Gli unici meccanismi in grado di sviluppare una tale potenza sono i processi di accrescimento gravitazionale di un buco nero. Su scale diverse di intensità e dimensioni, possiamo raffigurare questo processo come la caduta libera di un oggetto sotto l’azione della forza di gravità. L’energia che ne deriva viene continuamente trasformata in radiazione elettromagnetica e particelle elementari libere di propagarsi nello spazio interstellare fino a raggiungere l’atmosfera terrestre. L’evidenza sperimentale dell’esistenza di questi oggetti astrofisici è una conquista della radio astronomia e dell’astronomia con fotoni di alta energia.
L’Osservatorio Auger ha finalmente dimostrato che la direzione di arrivo dei raggi cosmici di altissima energia è correlata con la posizione di queste sorgenti. Si tratta di enormi galassie estremamente luminose, dette Nuclei Galattici Attivi (AGN, Active Galactic Nuclei), caratterizzate da una regione centrale compatta che ospita un buco nero supermassivo (con massa compresa tra un milione e un miliardo di volte quella del Sole).

Risultati

 I raggi cosmici di bassa energia provengono da tutte le direzioni, ed hanno origine principalmente da sorgenti situate all’interno della nostra galassia (in seguito a fenomeni violenti, quali ad esempio esplosioni di supernovae). Fino ad oggi, l’unica fonte certa di radiazione cosmica era il Sole. Per effetto dei campi magnetici galattici la traiettoria di queste particelle è curva e ciò fa perdere traccia della posizione della sorgente. Gli eventi di altissima energia conservano invece memoria della direzione di provenienza e al tempo stesso perdono rapidamente energia per effetto dell’interazione con la radiazione cosmica di fondo (CMB, cosmic microwave background), la radiazione residua del Big Bang che pervade tutto lo spazio.
Inoltre le dimensioni della galassia non sono sufficienti a contenere i raggi cosmici di altissima energia e ciò favorisce l’ipotesi che essi siano di natura extragalattica. In questo caso, ci si aspetta di osservare una correlazione degli eventi con le posizioni di sorgenti vicine, e ciò risulta compatibile con la riduzione di flusso osservata alle alte energie per effetto dei meccanismi di interazione con la radiazione cosmica di fondo.
L’Osservatorio Pierre Auger con le sue recenti misure ha confermato questa ipotesi, delineando un quadro consistente ed avviando una nuova era di astronomia con raggi cosmici (come asserito da J. Cronin, Università di Chicago, premio Nobel per la Fisica e fondatore dell’esperimento Auger).
Più in dettaglio, l’Osservatorio ha rivelato finora un milione di eventi, di cui 27 con energia maggiore di 5.7×1019 eV.  Le direzioni di arrivo di alcuni di questi eventi indicano una chiara correlazione con le galassie vicine alla Terra (entro un raggio di circa 200 milioni di anni luce), come Centaurus A, distante “solo” 15 milioni di anni luce.
La sfida per il futuro è quella di  estendere lo studio ad un numero maggiore di galassie e al contempo di studiare in modo più accurato le caratteristiche delle sorgenti e i meccanismi di accelerazione dei raggi cosmici, grazie alla raccolta di nuovi dati. Inoltre la costruzione di un secondo osservatorio “gemello” nell’Emisfero Nord (in Colorado), già in fase di progetto, consentirà di ottenere una mappatura completa del cielo.