L’osservazione di due supernove spiega l’origine dei raggi cosmici

CALIFORNIA – I protoni costituiscono il 90% delle particelle cariche che colpiscono il nostro pianeta. Una pioggia cosmica che attraversa l’atmosfera terrestre e che gli scienziati studiano ormai da molti anni. Come e dove si forma? Una recente ricerca pubblicata su Science dimostra ciò che da tempo si sospettava: i raggi cosmici nascono a seguito dell’esplosione violenta di supernove.

Lo studio è il risultato di una collaborazione internazionale che vede impegnati vari enti: il National Accelerator Laboratory (SLAC) della Stanford University, il KIPAC (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology), insieme a numerosi istituti di ricerca italiani, tra cui le sezioni dell’Istituto nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Roma, Milano, Torino, Bologna, Trieste, Pisa, Perugia, Padova e Bari e l’Istituto nazionale di astrofisica (INAF).

Con supernova si indica l’esplosione di una stella di grandi dimensioni giunta, ormai, al termine del suo ciclo vitale. Si tratta di  uno dei processi più energetici che si possano osservare nello spazio: tra le varie particelle che una supernova produce ci sono anche fasci di protoni. Gli scienziati hanno teorizzato da tempo che due delle fonti più probabili per spiegare la genesi dei protoni sono, all’interno della nostra galassia, le esplosioni di supernova, mentre all’esterno i potenti getti di energia che provengono dai buchi neri. Ma nessuno dei due casi era stato ancora confermato.

Per quanto concerne i raggi cosmici, non è possibile conoscere a priori quale sia la loro origine, visto che possono essere prodotti da diversi processi. Se però si puntano i rilevatori di particolari telescopi in zone in cui ci sono resti di supernove esplose in passato è possibile trovare uno spettro energetico caratteristico, la prova che il decadimento dei pioni genera fasci di raggi gamma.

Il telescopio spaziale Fermi della NASA è uno di questi. Dedicato alla rilevazione dei raggi gamma provenienti dal cosmo, ospita il LAT (Large Area Telescope) grazie al quale è stato ora possibile trovare una risposta alla domanda sull’origine dei raggi cosmici dimostrando che i protoni ricavano la loro energia dalle onde d’urto frutto delle esplosioni delle supernove. Stefan Funk e colleghi hanno osservato i resti di due supernove nella costellazione dei Gemelli – chiamate IC 433 e W44 – a circa 5000 anni luce di distanza dalla Terra e a 10.000 anni luce di distanza nella costellazione dell’Aquila.

Analizzando i dati gli scienziati hanno dimostrato che i fasci di protoni irradiati dalle supernove  vengono poi accelerati dall’onda d’urto frutto dell’esplosione. A causa dell’interazione con il mezzo interstellare che circonda le supernove, i protoni possono generare altre particelle elementari – i pioni neutri –che decadono rapidamente in raggi gamma, una radiazione elettromagnetica energetica rilevabile al telescopio.

“Fino ad ora avevamo in mano solo calcoli teorici e il buon senso che ci ha guidato nella convinzione che i raggi cosmici sono stati generati in resti di supernova”, ha commentato Jerry Ostriker, un astrofisico della Columbia University non coinvolto nello studio. “La rivelazione diretta del decadimento del pione dai resti di una supernova ne chiude il ciclo vitale e fornisce l’evidenza dell’origine di una componente significativa di raggi cosmici”.

Il passo successivo della ricerca è quello di comprendere i dettagli esatti del meccanismo di accelerazione e anche le energie massime alle quali resti di supernova possono accelerare protoni. Osservando il cielo restano ancora numerose domande a cui non siamo in grado di rispondere, prima tra tutte quella relativa all’influenza  che la pioggia di protoni può avere sul nostro ecosistema.