Raggi cosmici: il mistero si infittisce / Cosmic rays: the mystery deepens

 Raggi cosmici: il mistero si infittisce / Cosmic rays: the mystery deepens

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I raggi cosmici sono particelle ad alta energia accelerate a velocità estreme prossime a quella della luce. Ci vuole un evento estremamente potente per inviare questi frammenti di materia in fiamme attraverso l’Universo.

Il mistero dei raggi cosmici

Gli astronomi teorizzano che i raggi cosmici vengano espulsi dalle esplosioni di supernova che segnano la morte delle stelle supergiganti. I dati recenti raccolti dal telescopio spaziale per raggi gamma Fermi mettono in dubbio questo metodo di produzione dei raggi cosmici e spingono gli astronomi a cercare una spiegazione.

Non è facile capire da dove provenga un raggio cosmico. La maggior parte dei raggi cosmici sono nuclei di idrogeno, altri sono protoni od elettroni volanti liberi. Si tratta di particelle cariche, il che significa che ogni volta che incontrano altra materia nell’Universo dotata di un campo magnetico, cambiano rotta, facendole zigzagare nello Spazio.

La direzione da cui proviene un raggio cosmico quando colpisce la Terra, quindi, non è probabilmente la direzione in cui è iniziato. Ma ci sono modi per rintracciare indirettamente la loro origine. Uno dei metodi più promettenti è l’osservazione dei raggi gamma (che viaggiano in linea retta, per fortuna).

I raggi gamma

Quando i raggi cosmici incontrano altri frammenti di materia, producono raggi gamma. Quindi, quando una supernova si spegne e invia raggi cosmici nell’Universo, dovrebbe anche inviare un segnale di raggi gamma per farci sapere che sta accadendo.

Le prove tuttavia non hanno corrisposto alle aspettative. Gli studi su supernove antiche e distanti mostrano che si verifica una certa produzione di raggi gamma, ma non così tanto come previsto. Gli astronomi hanno spiegato che la radiazione mancante è il risultato dell’età e della distanza delle supernove. Ma nel 2023, il telescopio Fermi ha catturato una nuova brillante supernova che si verificava nelle vicinanze.

Chiamata SN 2023ixf, la supernova è esplosa a soli 22 milioni di anni luce di distanza in una galassia chiamata Messier 101 (meglio conosciuta come la “Galassia Girandola”). E ancora una volta i raggi gamma erano vistosamente assenti.

“Gli astrofisici hanno precedentemente stimato che le supernovae convertono circa il 10% della loro energia totale in accelerazione dei raggi cosmici“, ha affermato Guillem Martí-Devesa, dell’Università di Trieste.

“Non abbiamo però mai osservato direttamente questo processo. Con le nuove osservazioni di SN 2023ixf, i nostri calcoli risultano in una conversione di energia pari all’1% entro pochi giorni dall’esplosione. Questo non esclude che le supernovae siano fabbriche di raggi cosmici, ma significa che abbiamo ancora molto da imparare sulla loro produzione”.

Cosa sono i raggi gamma?

I raggi gamma hanno le lunghezze d’onda più piccole e la maggiore energia di qualsiasi onda nello spettro elettromagnetico. Sono prodotti dagli oggetti più caldi ed energetici dell’universo, come stelle di neutroni e pulsar, esplosioni di supernova e regioni attorno ai buchi neri. Sulla Terra, le onde gamma sono generate da esplosioni nucleari, e dall’attività meno drammatica del decadimento radioattivo.

A differenza della luce ottica e dei raggi X, i raggi gamma non possono essere catturati e riflessi dagli specchi. Le lunghezze d’onda dei raggi gamma sono così corte che possono attraversare lo spazio all’interno degli atomi di un rilevatore. I rilevatori di raggi gamma contengono tipicamente blocchi di cristalli densamente imballati. Quando i raggi gamma lo attraversano, entrano in collisione con gli elettroni nel cristallo.

Questo processo è chiamato diffusione Compton, in cui un raggio gamma colpisce un elettrone e perde energia, simile a ciò che accade quando una bilia battente colpisce una bilia otto. Queste collisioni creano particelle cariche che possono essere rilevate dal sensore.

I lampi di raggi gamma sono gli eventi elettromagnetici più energetici e luminosi dai tempi del Big Bang e possono rilasciare più energia in 10 secondi di quanta il nostro Sole ne emetterà in tutta la sua vita prevista di 10 miliardi di anni. L’astronomia a raggi gamma offre opportunità uniche per esplorare questi oggetti esotici.

Esplorando l’Universo a queste alte energie, gli scienziati possono cercare nuova fisica, testare teorie ed eseguire esperimenti che non sono possibili nei laboratori legati alla Terra.

Se potessimo vedere i raggi gamma, il cielo notturno sembrerebbe strano e sconosciuto. La visione familiare di costellazioni costantemente brillanti verrebbe sostituita da esplosioni in continua evoluzione di radiazioni gamma ad alta energia che durano da frazioni di secondo a minuti, esplodendo come lampi cosmici, dominando momentaneamente il cielo dei raggi gamma e poi svanendo.

Conclusioni

È possibile che il materiale interstellare attorno alla stella in esplosione possa aver impedito ai raggi gamma di raggiungere il telescopio Fermi. Ma questo potrebbe anche significare che gli astronomi debbano cercare spiegazioni alternative per la produzione dei raggi cosmici.

A nessuno piace un bel mistero meglio degli astronomi, e scavare nella radiazione gamma mancante potrebbe alla fine dirci molto di più sui raggi cosmici e sulla loro provenienza.

Gli astronomi intendono studiare SN 2023ixf in altre lunghezze d’onda per migliorare i loro modelli dell’evento, ed ovviamente terranno gli occhi aperti per la prossima grande supernova, nel tentativo di capire cosa stia succedendo.

ENGLISH

Cosmic rays are high-energy particles accelerated to extreme speeds close to that of light. It takes an extremely powerful event to send these burning bits of matter across the Universe.

The mystery of cosmic rays

Astronomers theorize that cosmic rays are ejected from supernova explosions that mark the death of supergiant stars. Recent data collected by the Fermi gamma-ray space telescope casts doubt on this method of producing cosmic rays and pushes astronomers to search for an explanation.

It is not easy to understand where a cosmic ray comes from. Most cosmic rays are hydrogen nuclei, others are free flying protons or electrons. These are charged particles, which means that every time they encounter other matter in the Universe with a magnetic field, they change course, causing them to zigzag through space.

The direction from which a cosmic ray comes when it hits Earth, therefore, is probably not the direction in which it started. But there are ways to indirectly trace their origin. One of the most promising methods is the observation of gamma rays (which travel in straight lines, fortunately).

Gamma rays

When cosmic rays encounter other bits of matter, they produce gamma rays. So when a supernova goes off and sends cosmic rays out into the Universe, it should also send out a gamma-ray signal to let us know it's happening.

However, the tests did not meet expectations. Studies of ancient, distant supernovae show that some gamma-ray production occurs, but not as much as expected. The astronomers explained that the missing radiation is a result of the age and distance of the supernovae. But in 2023, the Fermi telescope captured a bright new supernova occurring nearby.

Called SN 2023ixf, the supernova exploded just 22 million light-years away in a galaxy called Messier 101 (better known as the “Pinwheel Galaxy”). And once again gamma rays were conspicuously absent.

“Astrophysicists have previously estimated that supernovae convert about 10% of their total energy into cosmic ray acceleration,” said Guillem Martí-Devesa, of the University of Trieste.

“However, we have never directly observed this process. With the new observations of SN 2023ixf, our calculations result in an energy conversion of 1% within a few days of the explosion. This does not exclude that supernovae are cosmic ray factories, but it means that we still have a lot to learn about their production."

What are gamma rays?

Gamma rays have the shortest wavelengths and highest energy of any wave in the electromagnetic spectrum. They are produced by the hottest and most energetic objects in the universe, such as neutron stars and pulsars, supernova explosions, and regions around black holes. On Earth, gamma waves are generated by nuclear explosions, lightning, and the less dramatic activity of radioactive decay.

Unlike optical light and X-rays, gamma rays cannot be captured and reflected by mirrors. The wavelengths of gamma rays are so short that they can pass through the space inside the atoms of a detector. Gamma ray detectors typically contain densely packed blocks of crystals. When gamma rays pass through it, they collide with electrons in the crystal.

This process is called Compton scattering, in which a gamma ray hits an electron and loses energy, similar to what happens when a cue ball hits an eight ball. These collisions create charged particles that can be detected by the sensor.

Gamma-ray bursts are the most energetic and brightest electromagnetic events since the Big Bang, and can release more energy in 10 seconds than our Sun will emit in its entire expected lifetime of 10 billion years. Gamma-ray astronomy offers unique opportunities to explore these exotic objects.

By exploring the Universe at these high energies, scientists can search for new physics, test theories and perform experiments that are not possible in Earth-bound laboratories.

If we could see gamma rays, the night sky would look strange and unfamiliar. The familiar sight of constantly bright constellations would be replaced by ever-changing bursts of high-energy gamma radiation lasting from fractions of a second to minutes, exploding like cosmic flashes, momentarily dominating the gamma-ray sky and then fading away.

Conclusions

It's possible that interstellar material around the exploding star may have prevented gamma rays from reaching the Fermi telescope. But this could also mean that astronomers have to look for alternative explanations for the production of cosmic rays.

No one likes a good mystery better than astronomers, and digging into the missing gamma radiation could ultimately tell us a lot more about cosmic rays and where they come from.

Astronomers plan to study SN 2023ixf in other wavelengths to improve their models of the event, and will obviously be keeping an eye out for the next big supernova in an effort to understand what's going on.

Da:

https://reccom.org/raggi-cosmici-il-mistero-si-infittisce/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR1e23hj6ARZterO2U3EwtgQ8vu5RbXHfOc9YmXAD8R116RTcZIY_ltYA1k_aem_Ad-aZJelrdOruzWeTKnlfynqoTNYuhIrttYjTrxt1U2YGKU-pkZrbCnIVF9usiLwh95RrDiY2kZZqFKW9aiUiUNT