Esplosioni di stelle e resti di supernova rilasciano nello spaio interstellare una dose consistente di radiazione, che giunge fino a noi in sciami di particelle cariche che chiamiamo raggi cosmici. Fin dalla loro scoperta agli inizi del ventesimo secolo, i raggi cosmici sono stati oggetto di numerosi studi per comprendere la natura dei processi che hanno creato e accelerato le particelle. Un lavoro molto importante è quello di AMS-02, l’Alpha Magnetic Spectrometer a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, che dal 2011 immagazzina dati sulla radiazione proveniente dal cosmo. In particolare, il rivelatore misura i flussi della componente nucleare della radiazione cosmica: determina in essa l’abbondanza di nuclei di diversi elementi sintetizzati dalle stelle.

Di recente, la collaborazione scientifica che si occupa dell’esperimento ha pubblicato su Physical Reviews Letters i risultati della misura più precisa mai ottenuta del flusso di raggi cosmici di Ferro. “Il Ferro è l’elemento più pesante prodotto nelle reazioni di fusione delle stelle. La sua misura nei raggi cosmici da informazioni importanti sui luoghi di produzione e accelerazione dei raggi cosmici” spiega A. Oliva, ricercatore INFN a Bologna e coautore della pubblicazione.

Basandosi sull’analisi di circa 600 mila nuclei di Ferro, gli scienziati hanno fatto un’importante scoperta: il flusso di Ferro ha una dipendenza energetica più simile a quella di raggi cosmici leggeri come quelli di Elio, Carbonio e Ossigeno, piuttosto che quella dei raggi cosmici di elementi pesanti come il Neon, il Magnesio e il Silicio. Una ricerca che rappresenta un grande traguardo e anche un ottimo punto di partenza per consolidare la nostra comprensione sulle origini e la propagazione delle particelle cosmiche.

Cosa sappiamo sui raggi cosmici

Definiamo raggi cosmici particelle e nuclei atomici provenienti dal cosmo che muovendosi a velocità elevatissime penetrano nell’atmosfera terrestre in ogni direzione. Hanno energie che variano in un intervallo molto ampio, ma sono più numerosi quelli a bassa energia; quelli molto energetici sono più rari, e per questo difficili da rivelare. I raggi cosmici vengono deviati dai campi magnetici extragalattici e galattici e anche dal campo magnetico terrestre, quando vi giungono in prossimità. Per questo la loro direzione originaria viene modificata ed è difficile capire da dove abbiano origine. Finora si ritiene essi partano dalle esplosioni di supernovae che li accelerano in ogni direzione nella nostra galassia.

Quando i raggi cosmici entrano nell’atmosfera terrestre, collidono con i nuclei di cui essa è composta. In questi urti viene prodotto un gran numero di particelle che a loro volta sono oggetto di interazioni e decadimenti successivi. L’insieme di questi processi crea una cascata di particelle secondarie che giunge a terra. Per rivelare i raggi cosmici primari si usano perciò esperimenti su satelliti in orbita, che catturano la radiazione prima che interagisca con l’atmosfera.

Uno di questi esperimenti è AMS-02, che da anni misura i flussi della componente nucleare dei raggi cosmici con una precisione molto alta. Prima sono state misurate le specie più leggere e abbondanti, come i nuclei di Idrogeno e Elio, poi Litio e Ossigeno. Solo di recente, nel 2020, sono stati oggetto di studio i raggi cosmici di Neon, Magnesio e Silicio. Tutti questi elementi sono i prodotti successivi del processo di evoluzione stellare: più pesanti sono, più tempo le stelle hanno vissuto prima di sintetizzarli. L’elemento che fino a oggi gli scienziati non erano riusciti a caratterizzare con precisione mediante i raggi cosmici è il Ferro.

Perché è importante il Ferro?

Il Ferro è uno degli elementi più pesanti della tavola periodica e l’ultimo a essere prodotto durante l’evoluzione stellare: solo alcune stelle molto massicce riescono a sintetizzarlo. Una volta esauriti tutti gli altri nuclei più leggeri, la stella arriva a essere composta in gran parte di ferro, tutte le reazioni nucleari al suo interno si fermano e essa collassa in se stessa, dando origine a una supernova. L’esplosione produce una fortissima onda d’urto che si propaga nel gas interstellare e riesce ad accelerare particelle e nuclei a energie molto elevate.

Anche se sono rari, elementi complessi come il Ferro, nel corso del loro viaggio attraverso la galassia, interagiscono molto di più con il materiale circostante rispetto a nuclei leggeri: ecco perché misurare questo tipo di radiazione ci garantisce informazioni utili sulla propagazione dei raggi cosmici.

Le misure effettuate con AMS-02 sui flussi di radiazione proveniente dal cosmo hanno permesso agli scienziati di scoprire qualcosa che ancora non sapevamo: i raggi cosmici di Ferro hanno una dipendenza energetica più simile a quella di nuclei leggeri, piuttosto che di elementi pesanti come Neon, Magnesio e Silicio. Una rivelazione curiosa, che sicuramente sarà oggetto di studi futuri.

Il futuro con AMS-02

Quella di AMS-02 è una missione sponsorizzata da NASA e DOE in operazione sulla ISS dal 2011, a cui l’Italia partecipa con il supporto di ASI e di numerosi ricercatori universitari dell’INFN. Il contributo italiano è stato di grande importanza all’analisi dei dati per la ricerca. “Ma la campagna di misure di AMS-02 non si chiude qui” afferma V. Vagelli, Project Scientist di ASI e coautore della pubblicazione. “La collaborazione AMS sta continuando ad analizzare dati raccolti per estendere le misure, studiarne la dipendenza temporale e la loro correlazione con l’attività solare”.

Gli scienziati si mostrano confidenti che l’alta precisione della strumentazione porterà nuovi risultati inattesi, grazie ai quali approfondiremo maggiormente la nostra conoscenza dei raggi cosmici. Lo strumento AMS-02 è stato aggiornato a fine 2019 da Luca Parmitano, durante una serie di Attività Extraveicolari fra le più complesse mai compiute.

Lo studio completo: Properties of Iron Primary Cosmic Rays: Results from the Alpha Magnetic Spectrometer

Continua a seguire Astrospace.it sul canale Telegram, sulla pagina Facebook e sul nostro canale Youtube. Non perderti nessuno dei nostri articoli e aggiornamenti sul settore aerospaziale e dell’esplorazione dello spazio.