Dai 4.100 metri di altitudine del fianco del vulcano della Sierra Negra in Messico, l'osservatorio Hawc (High-altitude water Cherenkov gamma-ray observatory) ha captato dei raggi gamma emanati da due stelle di neutroni. Le misurazioni di questa radiazione hanno permesso al team internazionale di scienziati, che ha appena pubblicato l'articolo su Science, di contribuire con importanti elementi alla spiegazione di un fenomeno finora rimasto inspiegato: la presenza di un eccesso di particelle di antimateria intorno alla Terra.

Nel 2008 gli astronomi avevano osservato un numero insolitamente alto di positroni (le antiparticelle degli elettroni) in orbita a qualche centinaio di chilometri di distanza dall'atmosfera terrestre. Si è allora dibattuto su quali potessero essere le cause di tale anomalia, mettendo sul tavolo due ipotesi antagoniste. La prima ipotesi prevede che le responsabili devono essere le stelle di neutroni, o pulsar, ovvero stelle vicine al collasso che ruotano vorticosamente emettendo elettroni, positroni e altre particelle. La seconda ipotesi suggerisce invece che l'eccesso di positroni sia dovuto a qualche interazione con la materia oscura, ovvero quella componente largamente diffusa nell'universo che non emette radiazione elettromagnetica, ma che si manifesta solo attraverso effetti gravitazionali.

L'osservatorio Hawc conta più di 300 enormi vasche d'acqua, con sensori di luce ancorati nel fondo, che aspettano di essere attraversate da cascate di particelle ad alta energia chiamate raggi gamma, che hanno all'incirca 10 milioni di volte più energia dei raggi X usati per le radiografie dentali. Quando questi raggi gamma sbattono contro l'atmosfera terrestre, scompongono gli atomi che incontrano producendo una pioggia di particelle che viaggia verso il suolo all'incirca alla velocità della luce. Quando questa pioggia raggiunge le vasche d'acqua dell'osservatorio Hawc si generano flash coordinati di luce blu a forma di cono noti come radiazione Cherenkov: ciò consente ai ricercatori di risalire all'energia e all'origine cosmica dei raggi gamma che hanno provocato quelle cascate di particelle.

Il team internazionale di scienziati che lavora all'Hawc ha individuato, grazie anche a un campo visivo molto ampio in grado di osservare oggetti estesi come possibili sorgenti di alte energie, due pulsar (Geminga e la sua gemella PSR B0656+14) come possibili candidate ad essere la causa dell'eccesso di positroni terrestri.

“I raggi gamma misurati da Hawc dimostrano che positroni ad alta energia vengono effettivamente emessi da queste sorgenti” ha dichiarato Rubén López-Coto, scienziato del Max Planck Institute per la fisica nucleare di Heidelberg in Germania ai tempi dello studio di cui è coautore ed ora in forze all'Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) di Padova. “Tuttavia, secondo le nostre misurazioni, non riteniamo che queste possano contribuire in maniera significativa all'eccesso di positroni osservato intorno alla Terra”.

Nonostante le due stelle si trovino nel luogo giusto (sufficientemente vicine alla Terra) e siano dell'età giusta (“anziane” a sufficienza), i risultati pubblicati il 17 novembre su Science mostrano che le pulsar sono circondate da una fosca nube molto estesa che impedisce alla maggior parte dei positroni di allontanarsi e dunque di raggiungere la Terra a una velocità che spieghi l'anomalo accumulo osservato.

“Queste misurazioni sono davvero interessanti perché rigettano con una certa forza l'ipotesi secondo cui l'eccesso di positroni intorno alla Terra venga dalle due pulsar vicine, almeno se assumiamo un modello relativamente semplice riguardo a come i positroni si allontanano dalle stelle in rotazione” ha dichiarato Jordan Goodman, professore di fisica all'università del Maryland, investigatore capo e portavoce per gli Stati Uniti della collaborazione Hawc. “Le nostre misurazioni non pongono la parola fine sulla questione, in favore della materia oscura, ma qualsiasi altra teoria che voglia spiegare l'eccesso di positroni riferendosi alle pulsar dovrà tenere conto di quello che abbiamo trovato”.

In filosofia della scienza si dice che un'ipotesi scientifica che tenta di spiegare (ovvero cercare le cause di) un fenomeno avanza delle predizioni: la prova sperimentale può confermare le predizioni e dunque corroborare l'ipotesi, oppure può confutare le predizioni e dunque falsificare l'ipotesi. Le misurazioni condotte dagli scienziati del team di Hawc costituiscono una prova sperimentale che tende a falsificare la prima ipotesi. La scienza avanza per falsificazioni: è questo uno dei contributi più importanti che diede Karl Popper alla filosofia della scienza. Tuttavia ciò non significa affatto che la seconda ipotesi sia automaticamente quella giusta: la scienza è un'impresa che avanza con una certa cautela e le misurazioni di Hawc non ci dicono nulla di nuovo in merito alla materia oscura. È anche possibile che nuove scoperte nel campo dell'astrofisica delle pulsar possano in futuro arrivare a spiegare l'eccesso di positroni intorno alla Terra, ma ciò dovrebbe comportare lo sviluppo di una teoria più complessa di quella attuale sulla diffusione dei positroni, e al momento i fisici ritengono che ciò sia poco plausibile.

Pertanto possiamo dire con Francisco Salesa Greus, autore del lavoro e scienziato dell'istituto di fisica nucleare dell'accademia polacca di scienze di Cracovia, che “siamo più vicini alla comprensione delle origini dell'eccesso di positroni dopo aver escluso due forti indiziati”.

Francesco Suman