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Da dove provengono i raggi cosmici che innaffiano continuamente la Terra con energie altissime, fortunatamente deflesse dal nostro campo magnetico? Un mistero che, dopo 100 anni dalla loro scoperta, nel 1912, sembra aver finalmente trovato una spiegazione. Le teorie più accreditate per spiegare l’origine di queste particelle accelerate a energie di gran lunga superiori a quelle raggiunte negli acceleratori di particelle sulla Terra, come l’LHC del Cern, sostenevano che bisognasse andare a cercare tra i resti delle supernove. Dopo l’esplosione di una grande stella, di massa molto superiore a quella del nostro Sole, i protoni emessi verrebbero accelerati da un “ping-pong” tra i resti della supernova, acquistando gradualmente energia fin quando vengono lanciati nello spazio interstellare. Ora, attraverso le analisi dei dati del telescopio spaziale Fermi della NASA, un ampio team di ricercatori ritiene di aver individuato le prove che confermerebbero questa tesi mettendo la parola fine a una disputa secolare.

Acceleratori di particelle naturali

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Il campo magnetico della nostra galassia produce continue deviazioni dei raggi cosmici, tali da impedire di ricostruire il loro punto d’origine. Per questo, fino ad ora gli astrofisici hanno brancolato nel buio, limitandosi a elaborare possibili teorie sulla loro causa. Il telescopio spaziale Fermi, lanciato dalla NASA per analizzare più in dettaglio il fenomeno dei raggi cosmici, ha cercato di verificare queste teorie analizzando due residui di antiche supernove, chiamate IC 443 e W44, a circa 10mila anni luce dalla Terra. Qui, gli scienziati hanno trovato le tracce che si aspettavano: un’abbondanza di raggi gamma prodotti dal decadimento dei pioni.

Che cosa vuol dire? I protoni, che costituiscono il 90% della composizione dei raggi cosmici, una volta proiettati fuori da ciò che resta della supernova esplosa possono entrare in collisione con nubi gassose nei dintorni. Qui, alcuni protoni vengono rimbalzati indietro, e poi di nuovo avanti, e ancora di nuovo indietro, in un ping-pong stellare che può durare anche migliaia di anni, nel corso dei quali le particelle acquistano velocità ed energia. A un certo punto, i protoni oltrepassano questo muro e si lanciano negli abissi interstellari. Sono diventati “raggi cosmici”. Esattamente come avviene all’interno del tunnel sotterraneo dell’LHC a Ginevra, questi protoni collidono tra loro producendo un’ampia gamma di particelle secondarie, tra cui i pioni. Si tratta di particelle molto instabili, che decadono rapidamente in due fotoni ad alta energia (raggi gamma) di energie caratteristiche. Le tracce di questo decadimento sono quelle osservate dal satellite Fermi.

Un risultato di straordinaria importanza per la scienza italiana che segue la tradizione di Enrico Fermi. Sono sicuro che sarebbe contento di noi.

Marco Tavani
“E’ quanto di più vicino a una smoking gun, una pistola fumante”, commenta su Nature Francis Halzen, astrofisico delle particelle all’Università del Wisconsin. Ma forse è presto per mettere la parola fine. I resti di supernove, infatti, potrebbero non spiegare l’origine di tutti i raggi cosmici osservati. Nel 2011 l’équipe di ricercatori dell’Università di Roma Tor Vergata diretta da Piergiorgio Picozza ha individuato attraverso i dati del satellite PAMELA alcuni raggi cosmici che non rientrerebbero nel modello di spiegazione finora accettato. Secondo Picozza, anche altri oggetti cosmici come le nane bianche, resti di una nova, cioè un’esplosione di stelle di massa minore, possono essere in grado di accelerare i protoni fino alle energie osservate.

Fermi parla italiano

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L’Italia guida le ricerche in questo campo. La scoperta, pubblicata sul numero di Science del 15 febbraio, include diversi autori italiani. Ma va ricordato che le analisi del satellite della NASA Fermi non fanno che confermare ciò che il satellite dell’Agenzia spaziale italiana, AGILE, aveva individuato in precedenza. “E’ una grande conferma della scoperta del satellite AGILE pubblicata l’anno scorso da Giuliani et al. di emissione gamma da pioni neutri prodotti da raggi cosmici accelerati nella supernova W44”, ribadisce infatti Marco Tavani, principal investigator della missione realizzata in collaborazione con l’INAF. “Un risultato di straordinaria importanza per la scienza italiana che segue la tradizione di Enrico Fermi. Sono sicuro che sarebbe contenuto di noi, se potesse vedere questi risultati che finalmente, dopo molti decenni, sono arrivati”.

In effetti il meccanismo alla base dell’accelerazione delle particelle era stato teorizzato da Fermi fin negli anni ’60. Il satellite della NASA a lui dedicato – un osservatorio spaziale per i raggi cosmici – è stato lanciato nel 2008 con un significativo contributo dell’Italia. L’INFN, che con Ronaldo Bellazzini coordina il gruppo di scienziati italiani della missione, ha realizzato il Large Area Telescope, il rivelatore di fotoni ad alta energia impiegato nella scoperta. L’ASI, che ha co-finanziato la missione, contribuisce inoltre con la raccolta e distruzione dei dati attraverso l’ASI Data Center di Frascati.