SCIENZA E RICERCA

Raggi cosmici e la "magia" del multi-messaggero

Il 12 luglio 2018, durante una conferenza stampa alla sede NSF di Washington è stata presentata la prima evidenza sperimentale della correlazione tra un segnale elettromagnetico (fotoni) e la rivelazione di neutrino proveniente dal nucleo di una galassia lontana. Al risultato, hanno partecipato diversi ricercatori dell'università di Padova. Questo straordinario evento è il secondo in meno di un anno classificato come di tipo "multi-messaggero". Il primo, annunciato qualche mese prima, riguardava l'osservazione congiunta di segnali elettromagnetici e onde gravitazionali provenienti dalla fusione di due stelle di neutroni. Questi due eventi conclamano la nascita di una nuova branca della ricerca astrofisica fondamentale, la cosiddetta Multi-messenger Astronomy. Vediamo di che si tratta. 

Molti esseri viventi sono dotati di sensi diversi per poter interpretare gli avvenimenti circostanti: udito e vista per taluni predatori sono strumenti potenti, così come olfatto e termoreattori lo sono per altri. Anche a noi umani, quando combiniamo i sensi, per esempio in un moderno cinema sensoriale in cui suoni, immagini e odori. sono combinati, l'esperienza ci sembra particolarmente vivida e aumentata. Tuttavia, quando passiamo dalle esperienze sensoriali, alle "esperienze" scientifiche compiute con strumentazioni specifiche in laboratori, meno spesso si ha il privilegio di combinare grandezze osservabili diverse tra loro. La maggior parte degli strumenti sono 'specializzati' a osservare una specifica grandezza: la quantità di energia emessa o assorbita da una reazione chimica, la variazione di temperatura, la radiazione emessa da un corpo, ecc. Sono pochi gli strumenti e le misure in forma tale da avere misurazioni a "multi-messaggero" (analogo al multi-sensoriale di sopra). Tra questi tuttavia troviamo ad esempio i moderni esperimenti agli acceleratori di particelle del CERN di Ginevra, composti da misuratori di radiazione elettromagnetica, di particelle cariche leggere e pesanti, e di quelle neutre. Un evento di collisione come quelli generati al Large Hadron Collider al CERN, sono quindi studiati da diverse prospettive, il che garantisce una grande 'esperienza' (scientificamente parlando). I telescopi che misurano la radiazione cosmica sono invece (spesso, ma non sempre) strumenti sensibili in un breve intervallo: radio telescopi, telescopi X, UV, e avanti fino ai telescopi gamma. Nelle loro esplorazioni, spesso vedono un singolo messaggero, il fotone della radiazione elettromagnetica. In molti casi, questo è più che sufficiente a generare bellissime immagini come quelle del telescopio Hubble e a produrre grandi scoperte. Tuttavia, specialmente nella banda gamma, i fenomeni che si osservano sono legati a interazioni non molto diverse da quelle che si generano con gli acceleratori, ancorché di energia enormemente superiore. Sono fenomeni subnucleari che avvengono in ambienti estremi come quelli nelle prossimità' di buchi neri supermassicci ai centri di alcune galassie attive, o nelle nubi di materiale espulso da eventi di supernova, o attorno a stelle di neutroni rotanti. In questi sistemi, la radiazione gamma accompagna una abbondante presenza di elettroni, protoni e neutrini di alta energia, che assieme costituiscono i raggi cosmici.

Che fine fanno questi raggi cosmici? Nel caso degli elettroni, questi sono spesso assorbiti nelle vicinanze delle zone di emissione. I protoni invece, posso viaggiare molto lontano dalla regione in cui sono generati, tuttavia hanno un grosso difetto: sono deviati costantemente dagli onnipresenti campi magnetici galattici ed extra-galattici, che fanno irrimediabilmente perdere le tracce della loro direzione di origine. Fotoni e neutrini invece, essendo particelle neutre, tirano dritto, e se osservati, puntano chiaramente addietro alla zona di emissione. Ma, come è noto, è tanto semplice osservare fotoni quando difficile osservare neutrini, a casa della loro bassissima interazione con la materia. È per questo, che la recente scoperta congiunta del rivelatore di neutrini IceCube, al polo Sud, del satellite Fermi-LAT e del telescopio MAGIC alle isole Canarie, di un segnale congiunto neutrino-gamma, ha destato enorme interesse nella comunità scientifica a seguito dell'annuncio lo scorso luglio. Questo primo evento in coincidenza è stato osservato nel dicembre 2017 e pubblicato sulla rivista Science nel luglio 2018 a firma delle tre collaborazioni menzionate e di altri partner.

La storia della scoperta è interessante. Il 22 settembre 2017, IceCube rivela un neutrino di alta energia (definito IC170922A) da una certa direzione del cielo, e come si fa in questi casi, informa immediatamente tutta la comunità di telescopi partner attraverso un sistema di allerta istantaneo via internet (GCNET). Fermi-LAT, che è uno strumento a satellite che osserva grosse porzioni di cielo, immediatamente risponde che in quella direzione trova una sorgente nota: un nucleo galattico attivo, in codice TXS0506, che da mesi è in grossa attività. Anche i telescopi MAGIC, a cui partecipano diversi ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Padova, puntano inizialmente TXS0506, ma le osservazioni si bloccano a causa del mal tempo. La sorgente tuttavia rimane attiva, e dopo alcuni giorni di  insistenza, finalmente anche MAGIC riesce a osservarla.

Ecco quindi la prima coincidenza spaziale e temporale di un neutrino e fotoni gamma di alta ed altissima energia. Assieme al noto evento di emissione congiunta di radiazione elettromagnetica e onda gravitazionale, questo evento IC170922A è il secondo in assoluto (e a meno di un anno dal primo) di natura multi-messaggera. Quale è l'importanza di questo evento? Dal lato puramente scientifico, abbiamo per la prima volta i dati che ci permettono di capire che proprio li, vicino a quel buco nero a distanza di 4,5 miliardi di anni luce, quando l'universo era di altrettanti miliardi di anni più giovane di ora, vengono generati i tanti misteriosi raggi cosmici, e proprio alle altissime energie che ci aspettavamo, fin sopra gli esaelectronvolt (un miliardo di miliardi di electronvolt, pari circa all'energia di una palla da tennis che viaggia a 100 km/h concentrata in una singola particella). Di per sé può sembrare una questione tecnica, ma di certo non rimane nascosta la sua bellezza: l'idea che il nostro laboratorio di particelle non sia più un grande acceleratore ma una così enorme porzione di Universo è certamente affascinante. In secondo luogo, ci motiva ad andare oltre. Nuovi strumenti saranno costruiti sulla scia di queste scoperte: una estensione di IceCube al Polo Sud, e altri telescopi puntati su oggetti come TXS0506 e suoi simili. Impareremo a usare assieme questi nuovi sensi: "vedere" i segnali elettromagnetici, "toccare" le onde gravitazionali, e "sentire" i neutrini. Siamo di fronte ad una nuova fase di ricerca scientifica del cosmo, che sicuramente porterà ad un aumento di scoperte fondamentali nei prossimi tempi. Non perdetevi le prossime puntate.

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