È un traguardo destinato a restare nella storia e soprattutto è un punto di svolta nelle prospettive future dell’astronomia multi-messaggera: per la prima volta la nostra galassia, la Via Lattea, ha restituito un’immagine ottenuta attraverso neutrini di alte energie, rivelando così un’evidenza dell’emissione di queste particelle così elusive e misteriose.

Questa immagine inedita, che diversamente dalle precedenti non si avvale dello spettro della luce, è stata ottenuta grazie al più grande telescopio di neutrini del mondo, il rivelatore IceCube in funzionamento presso la stazione Amundsen-Scott del Polo Sud, in Antartide, dove oltre 5000 sensori ottici, conficcati tra 1,5 e 2,5 km di profondità, hanno il compito di catturare i lampi di luce prodotti dai neutrini che attraversano il ghiaccio.

Completato nel 2011, IceCube ha aperto una nuova finestra osservativa sul cosmo, misurando un flusso diffuso di neutrini cosmici e successivamente identificando due distinte sorgenti astrofisiche, la Blazar TXS 0506+056 e più recentemente la galassia di Seyfert NGC 1068. Entrambe queste due prime fonti di neutrini provenivano dunque dall'esterno della Via Lattea.

Come ha spiegato Jim Madsen, direttore del Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center, "solo poche centinaia delle centinaia di migliaia di neutrini osservati ogni anno provengono da sorgenti galattiche o extragalattiche piuttosto che da raggi cosmici". Inoltre trovare i neutrini della Via Lattea, più deboli rispetto a quelli provenienti da galassie che ospitano al loro centro dei buchi neri super massicci, ha richiesto uno sforzo notevole. 

La ricerca condotta dai ricercatori di IceCube è stata recentemente pubblicata su Science ed è frutto di un'ampia collaborazione internazionale che comprende oltre 50 istituzioni, tra cui figura anche l'università di Padova come unico ateneo italiano.

Data from the IceCube Neutrino Observatory reveals neutrino emission from within the Milky Way. Existence of this long-sought signal paves the way for the future of astroparticle physics in our Galaxy.

📄: https://t.co/yb4Y0EzCO0#SciencePerspective: https://t.co/7kXggE5qmS pic.twitter.com/djE9F1tGk3

— Science Magazine (@ScienceMagazine) June 30, 2023

Lo studio appena pubblicato da IceCube si è focalizzato sul cielo del Sud, dove le condizioni di osservazione della nostra galassia sono migliori. Tuttavia, sino ad oggi i dati raccolti erano dominati dal disturbo causato dalle interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre: le particelle create quando i raggi cosmici ad alta energia colpiscono le molecole nell'atmosfera terrestre tendono infatti a produrre un "rumore" che oscura il segnale di neutrini proveniente dalla galassia.

Per vincere questa sfida, come spiegano gli stessi autori della collaborazione IceCube, la strategia è stata quella di concentrarsi sullo studio delle 
cosiddette “cascate”, ovvero quelle interazioni di neutrini che danno origine ad un’emissione di luce quasi sferica. In questa classe di eventi l’energia viene depositata interamente all’interno del volume sensibile del rivelatore, riducendo significativamente la
 contaminazione del fondo delle interazioni di raggi cosmici in atmosfera, i quali, al contrario, rilasciano segnali che prevalentemente entrano o escono dallo stesso volume. La purezza di questo canale di osservazione ha consentito di raggiungere una maggiore sensibilità al segnale dalla nostra galassia.

A questa strategia si è aggiunta una carta vincente: l’implementazione di tecniche di machine learning per migliorare l’identificazione delle cascate nonché la ricostruzione della direzione di provenienza e la determinazione dell’energia dei neutrini che le hanno prodotte. “Una controparte ai raggi gamma è stata per la prima volta osservata anche in neutrini, premiando le nostre aspettative dalla Via Lattea e dalle possibili sorgenti di raggi cosmici” ha commentato Elisa Bernardini, professoressa dell’università dii Padova e membro della Collaborazione IceCube dai suoi albori.

“I metodi di analisi recentemente migliorati ci hanno consentito di identificare un numero di neutrini dieci volte maggiore rispetto ad analisi precedenti e con informazioni sulla direzione di provenienza più accurate, portando ad uno studio tre volte più sensibile”. Gli scienziati si sono così avvalsi di algoritmi di machine learning particolarmente evoluti per riesaminare un campione di dati che include 60 mila neutrini osservati in 10 anni di funzionamento di IceCube e sono così riusciti ad ottenere la prima prova statisticamente significativa della presenza di neutrini provenienti dal nostro piano galattico.

Per conoscere più nel dettaglio il metodo utilizzato dalla collaborazione IceCube e le implicazioni nella comprensione dei misteri attorno alle sorgenti di raggi cosmici abbiamo intervistato Sarah Mancina, ricercatrice del dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova che ha partecipato alla ricerca.

"Un'analogia che spesso viene utilizzata per riferirsi ai segnali lasciati dai neutrini è quella delle impronte sulla neve: non vedi l'animale che le ha lasciate ma dalle impronte capisci che è passato di lì. Allo stesso modo noi possiamo vedere le impronte lasciate dalle interazioni dei neutrini", spiega la scienziata.

I benefici delle osservazioni attraverso i neutrini

I telescopi convenzionali sono stati nel corso dei secoli uno strumento fondamentale per scrutare il cielo e aumentare la nostra conoscenza del Cosmo. Con il progredire della scienza e della tecnologia sono stati costruiti modelli sempre più sofisticati che hanno esaminato la Via Lattea in tutto lo spettro della luce, dalle onde radio ai raggi gamma ad altissima energia. Ma quelle sono tutte forme di luce.

"Gli astronomi naturalmente hanno cominciato le loro osservazioni avvalendosi della luce e progressivamente è stato possibile esaminare tutte le diverse lunghezze d'onda della luce a diverse energie. Una sezione di luce è quella che viene chiamata spettro del visibile. Ma poi ci sono anche molte lunghezze d'onda che possiamo osservare alle energie più elevate", spiega Sarah Mancina. In questo ambito rientrano i raggi gamma. "Sono uno strumento molto utile ma sfortunatamente il loro uso presenta alcuni svantaggi in quanto mentre viaggiano attraverso il nostro universo c'è la possibilità che interagiscano con la luce di fondo". Fino a scomparire. 

I neutrini sono completamente diversi. Sono tra le particelle più comuni nell'universo ma pesano pochissimo e sono capaci di cambiare la loro identità oscillando tra le tre diverse tipologie, flavors, in cui si suddividono: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. Raramente interagiscono con qualcosa ma il ghiaccio nel quale sono posizionati i 5000 tubi fotomoltiplicatori dell'osservatorio IceCube ha una massa sufficiente a permettere di cogliere, sotto forma di lampi di luce, le interazioni dei neutrini che vi si propagano. Al contrario dei raggi gamma "i neutrini non amano interagire, quindi possono viaggiare direttamente da noi. E le probabilità che interagiscano prima che arrivino a noi sono molto basse", continua la scienziata del dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova. Al tempo stesso però la scarsa propensione dei neutrini all'interazione rende più complessa l'osservazione di queste particelle elusive: proprio per questo sono una sorta di istantanea del momento della loro formazione: portano preziose informazioni sulla loro sorgente, e dunque sull'universo, sulla sua nascita e sulla sua evoluzione, sulle particelle e sugli oggetti cosmici che lo abitano e sulle dinamiche che ne regolano il comportamento ma sono anche estremamente difficili da rilevare.

Credit: Yuya Makino, IceCube/NSF

Come è stato superato il "rumore di fondo"?

Un problema che ha tenuto impegnati gli scienziati è stato il "rumore di fondo", una sorta di disturbo dovuto al fatto che le interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre producono una pioggia di particelle che offusca il segnale dei neutrini. La soluzione trovata dagli astronomi è stata quella di selezionare un tipo specifico di segnale: sono quelli che vengono chiamati "eventi a cascata". "In questi casi le particelle rimbalzano invece di viaggiare in un percorso rettilineo. L'aspetto fantastico è che il segnale è molto diverso dai muoni dei raggi cosmici, quindi è più facile distinguerlo dallo sfondo", spiega Sarah Mancina.

Questo tipo di firma, tuttavia, non è facilmente riconducibile a una posizione di origine nel cielo. "Quando la particella inizia a rimbalzare, è difficile dire la direzione iniziale", conferma la ricercatrice aggiungendo che la strategia per superare questa difficoltà è stata quella di sviluppare un nuovo strumento di rete neurale che fosse in grado di ricostruire la direzione di queste "cascate". E poi abbiamo hanno trovato un eccesso di neutrini provenienti dalla direzione del nostro piano galattico".

Uno sguardo nuovo sulla Via Lattea 

Quello che è stato ottenuto è un primo assaggio di come appare la nostra galassia avvalendosi dei neutrini come strumento di osservazione. "L'immagine forse è un po' meno chiara rispetto alle altre lunghezze d'onda della luce perché si tratta di una tecnologia in via di sviluppo. Stiamo lavorando affinché in futuro sia possibile  ottenere un'immagine più chiara di ciò che stiamo vedendo, come ci appare la galassia nei neutrini. Tutto questo può aiutarci a capire meglio come vengono prodotti i neutrini all'interno della nostra galassia e all'interno dell'universo in generale.

La scoperta apre una nuova finestra sull’astrofisica delle alte energie nella nostra galassia presentandoci un nuovo panorama che sembra già riservarci delle sorprese. Infatti l’emissione osservata risulta essere significativamente più intesa ed energetica di quella predetta dai modelli teorici di interazione dei raggi cosmici nella galassia.

Per finire chiediamo a Sarah Mancina quale sia l'aspetto più affascinante del suo lavoro e di questo importante traguardo. "È emozionante vedere che stiamo risolvendo il cielo dei neutrini. E siamo davvero alle fasi iniziali. Parte di ciò che mi piace dei neutrini è che viaggiano alla velocità della luce e quindi questo significa che a volte possono venire da molto lontano e molto tempo fa. E quindi in qualche modo stiamo provando a capire cosa è accaduto nel nostro universo centinaia di miliardi di anni fa. Penso sia interessante sapere cosa stava succedendo prima che arrivassimo dove siamo nell'universo".