Raggi cosmici da un oggetto vicino e misterioso.
Autore: Tony Phillips - science@NASA
Un gruppo di ricercatori provenienti da vari Paesi ha scoperto un misterioso surplus di elettroni ad alta energia che bombardano la Terra dallo spazio.
La fonte di questi raggi cosmici è tuttora non conosciuta, ma sembra essere vicina al Sistem Solare e potrebbe essere costituita da Materia Oscura. I loro risultati sono stati pubblicati sulla pretigiosa Rivista Scientifica Nature lo scorso 20 Novembre.
"Si tratta di una grande scoperta" afferma John Wefel della Università dello Stato della Louisiana e co-autore dell'articolo. "Per la prima volta abbiamo osservato una fonte discreta di raggi cosmici al di fuori del fondo galattico".
I raggi cosmici sono particelle subatomiche accelerate fin quasi alla velocità della luce dall'esplosione di stelle chiamate Supernova ed altri violenti eventi nello spazio. Queste particelle sciamano attraverso la Via Lattea formando una nebbia di particelle ad alta energia che penetra nel Sistema Solare da varie direzioni. Si tratta per lo più di protoni e nuclei atomici pesanti con l'aggiunta di fotoni ed elettroni che vanno a formare un interessante miscuglio particellare.
Il Dr Wefel e i suoi colleghi hanno trascorso gli ultimi otto anni a studiare questi Raggi Cosmici, grazie ad una serie di Palloni Aerostatici che hanno solcato la stratosfera sopra l'Antartide. Ognuno di questi voli era fornito di un Cosmic Rays Detector, Rilevatore di Raggi Cosmici, chiamato ATIC, ovvero un Calorimetro Avanzato per lo Studio della Ionizzazione Fine, fornito dalla NASA.
Il gruppo dei ricercatori si attendeva ATIC il conteggio del mix usuale fra le particelle, principalmente protoni e ioni, ma ATIC ha trovato qualcosa in più: abbondanza di elettroni ad alta energia.
Wefel fa un paragone con un'autostrada in cui ti aspetti di veder passare camion, mini-van o auto familiari, ma nella quale improvvisamente ti vedi sfrecciare un gruppo di una 70ina di Lamborghini, in mezzo agli altri veicoli, che non ti saresti aspettato. Questi sarebbero appunto gli elettroni ad alta energia.
"Durante cinque settimane fra il 2000 e il 2003, ATIC è riuscito a conteggiare 70 elettroni eccedenti il range 300-800 GeV. Settanta elettroni possono sembrare non un numero così alto ma, come 70 Lamborghini sull'autostrada, è comunque un'eccedenza assai significativa.
"La fonte di queste emissioni sembra essere relativamente vicina al Sistema Solare, non più di un kiloparsec" dice il co-autore Jim Adams del Centro di Volo Spaziale di Marshall in Alabama.
Perché la fonte di emissione dovrebbe essere così vicina?
Secondo Adams questo avviene perché gli elettroni ad alta energia perdono energia rapidamente mentre volano attraverso la Galassia. Essi perdono energia in due maniere:
(1) quando collidono con fotoni a bassa energia, un processo chiamato Dispersione di Compton inversa e
(2) quando essi espellono parte della loro energia spiraleggiando nel Campo Magnetico della Galassia".
Una volta che un elettrone ha viaggiato per un intero kiloparsec non presenta più un'alta energia.
Gli elettroni ad alta energia si possono quindi trovare solo nel "locale". Alcuni membri della squadra di ricerca che la fonte emittente non possa trovarsi oltre poche centinaia di Parsec dal Sistema Solare.
Ricordiamo che un Parsec rappresenta circa 3 anni luce.
"Sfortunatamente, dice Wefel, non possiamo identificare la fonte nel Cielo".
Per quanto ATIC riesca a misurare la direzione della particelle, è problematico tradurre questi angoli d'arrivo in coordinate celesti. Questo per alcune cause. La prima è che il rilevatore era posto sul pallone aerostatico che ruotava intorno al Polo Sud in un vortice turbolento a causa di forti venti in alta quota. Inoltre gli elettroni che arrivano sulla Terra hanno la loro direzione influenzata di alcuni gradi a causa dei forti campi magnetici galattici.
"Nella migliore delle ipotesi, ATIC può sperare di misurare una anisotropia generale, in una parte del cielo rispetto all'altra."
Questa incertezza lascia libere le redini della fantasia. La possibilità meno esotica include ad esempio che si possa trattare di una stella Pulsar nei nostri pressi, una Microquasar o anche un buco nero. Tutte questi oggetti galattici sono in grado di accelerare elettroni alle energie rilevate.
Come è probabile che siamo in presenza di una fonte emittente non molto distante è altrettanto possibile che tale fonte non resti misteriosa per molto tempo ancora.
Il satellite della NASA Fermi Gamma Ray Space Telescope, recentemente lanciato, ha appena iniziato a rilevare il cielo con una sensibilità sufficiente a rilevare oggetti di questo tipo.
Un'ipotesi ancora più esotica potrebbe riguardare la Materia Oscura.
C'è una classe di teorie fisiche, chiamate "Teorie di Kaluza-Klein" che si propongono di conciliare la forza di gravità con altre forze fondamentali postulando altre dimensioni. Oltre alle tre dimensioni di cui abbiamo normale esperienza, ci potrebbero essere otto ulteriori dimensioni attorcigliate nello spazio che ci circonda. Una spiegazione molto popolare benché non ancora accertata recita che la Materia Oscura permetta dimensioni extra. Potremmo avere sentore di queste dimensioni ulteriori solo grazie alla forza di gravità.
Ma come farebbe a produrre questa eccedenza di raggi cosmici? Le particelle di Kaluza-Klein (o molte di loro) hanno la curiosa proprietà di essere anche le loro anti-particelle. Quando due di queste collidono si annichiliscono a vicenda producendo uno spray composto da elettroni e fotoni ad alta energia. Gli elettroni non vengono dispersi nelle dimensioni nascoste ma si materializzano nelle tre dimensioni del nostro mondo reale, dove ATIC è in grado di rilevarle come raggi cosmici.
"I nostri dati potrebbero essere spiegati da una nuvola o un gruppo di nuvole di Materia Oscura nei pressi del nostro Sistema Solare" dice Wefel. "In particolare c'è un'ipotizzata particella di Kaluza-Klein con una massa di circa 620 GeV che, quando annichilita, dovrebbe produrre elettroni nello stesso spettro delle energie che stiamo osservando".
Testare questa possibilità non è banale perché la Materia Oscura è davvero...oscura. Può tuttavia essere possibile trovare la nuvola cercando altri prodotti dell'annichilazione come i Raggi Gamma. Di nuovo il Fermi Space Telescope può avere la migliore possibilità di individuare la fonte.
"Qualunque cosa sia", conclude Wefel, "sarà davvero straordinario".
Per ulteriori informazioni: An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800 Gev," by J. Chang et al. nel numero del 20 Nov. 2008, di Nature.
Credits: The Advanced Thin Ionization Calorimeter is an international collaboration of researchers from Louisiana State University, University of Maryland, Marshall Space Flight Center, Purple Mountain Observatory in China, Moscow State University in Russia and Max-Planck Institute for Solar System Research in Germany. ATIC is supported in the United States by NASA and flights are conducted under the auspices of the Balloon Program Office at Wallops Flight Facility by the staff of the Columbia Scientific Balloon Facility. Antarctic logistics are provided by the National Science Foundation and its contractor Raytheon Polar Services Corporation.