La ricerca di particelle cosmiche altamente energetiche e delle fonti in grado di produrle prosegue ormai da parecchi anni. Di recente, un team di ricercatori ha analizzato 12 anni di dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, confermando che un resto di supernova è una regione adatta alla produzione di questo tipo di particelle.

Fermi ha infatti dimostrato che le onde d’urto delle stelle esplose portano le particelle a velocità paragonabili a quelle della luce. Chiamate raggi cosmici, queste particelle assumono per lo più la forma di protoni, ma possono includere nuclei atomici ed elettroni. Poiché sono tutte dotate di carica elettrica, i loro percorsi si confondono quando attraversano il campo magnetico della nostra galassia, cosa che ci impedisce di riconoscere il loro luogo di nascita. Ma quando queste particelle si scontrano con il gas interstellare vicino al resto della supernova, producono un bagliore rivelatore in raggi gamma. La luce di più alta energia che esista.

Particelle che guadagnano energia attraverso campi magnetici

“I teorici ritengono che i protoni dei raggi cosmici di più alta energia nella Via Lattea raggiungano un milione di miliardi di elettronvolt (ordine del PeV)” ha spiegato Ke Fang, professore assistente di fisica presso l’Università del Wisconsin e autore principale dello studio. “La natura precisa delle loro sorgenti, che chiamiamo PeVatrons, è stata difficile da individuare”.

Le particelle, intrappolate da campi magnetici caotici, attraversano ripetutamente l’onda d’urto provocata dall’esplosione di supernova. Questo fa guadagnare loro velocità ed energia a ogni passaggio, finché niente è più in grado di bloccarle ed esse sfrecciano nello spazio interstellare. Con un’energia 10 volte superiore a quella dell’acceleratore di particelle più potente del mondo, il Large Hadron Collider, i protoni PeV sono quasi in grado di sfuggire completamente alla nostra Galassia.

Gli astronomi hanno identificato finora alcuni PeVatron sospetti. Tra i candidati, anche i resti di supernova (SNR, SuperNova Remnants). Tuttavia, dei circa 300 SNR conosciuti, solo pochi sono stati trovati in grado di emettere raggi gamma con energie sufficientemente elevate. Finché un particolare relitto stellare ha suscitato una certa attenzione da parte degli astronomi: G106.3+2.7, una nube situata a circa 2.600 anni luce di distanza nella costellazione di Cefeo. Una pulsar luminosa, classificata J2229+6114, copre l’estremità settentrionale di questo resto di supernova. Gli astronomi ritengono che sia la pulsar che il SNR abbiano avuto origine dalla stessa esplosione stellare.

Una pulsar come fonte di particelle cosmiche estreme

La pulsar J2229+6114 emette i propri raggi gamma come un faro, mentre gira velocemente attorno a se stessa. Il bagliore che ne consegue brilla nella regione fino a energie di pochi GeV. La maggior parte di questa emissione viene rilevata nel corso della prima metà della rotazione della pulsar.

I ricercatori hanno analizzato solo i raggi gamma provenienti dall’ultima parte della rotazione stellare. Così facendo, hanno scoperto che:

• Al di sotto dei 10 GeV, non c’è alcuna emissione significativa che provenga da quella zona del resto di supernova G106.3+2.7.
• Al di sopra di 10 GeV, l’interferenza della pulsar è trascurabile, mentre è evidente un’ulteriore sorgente di bagliore. L’analisi dettagliata del team favorisce in modo schiacciante i protoni PeV come particelle che guidano questa emissione extra di raggi gamma.

A proposito di ciò, Fang ha osservato: “Finora G106.3+2.7 è unico, ma potrebbe rivelarsi il membro più luminoso di una nuova popolazione di resti di supernova che emettono raggi gamma che raggiungono energie TeV. Altre di queste potrebbero essere rivelate dalle future osservazioni di Fermi e degli osservatori di raggi gamma ad altissima energia”. Nel video seguente, un recap della scoperta. Credits: Goddard Space Flight Center, NASA

Fermi e i raggi gamma da un miliardo di elettronvolt

Il Large Area Telescope, strumento principale di Fermi, ha rilevato raggi gamma da un miliardo di elettronvolt (GeV) all’interno della coda estesa del resto di supernova G106.3+2.7. Per fare un paragone, l’energia della luce visibile è compresa tra circa 2 e 3 elettronvolt, quindi si tratta di energie davvero molto elevate.

Il Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) dell’Osservatorio Fred Lawrence Whipple, nell’Arizona meridionale, ha registrato raggi gamma di energia ancora più elevata dalla stessa regione. Inoltre, sia l’High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory in Messico che il Tibet AS-Gamma Experiment in Cina hanno rilevato fotoni con energie di 100.000 miliardi di elettronvolt (TeV) dalla stessa regione sondata da Fermi e VERITAS.

L’articolo che illustra i risultati dello studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters ed è reperibile qui.

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