Gli scienziati potrebbero aver scoperto il più potente acceleratore di particelle dell'universo / Scientists may have discovered the most powerful particle collider in the universe

Gli scienziati potrebbero aver scoperto il più potente acceleratore di particelle dell'universo / Scientists may have discovered the most powerful particle collider in the universe

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

Tycho, uno dei resti di supernova meglio studiati, potrebbe essere stato per un breve periodo il più potente acceleratore di particelle dell'universo, secondo una nuova ricerca. / Tycho, one of the best studied supernova remnants, may have briefly served as the most powerful collider in the universe, new research hints

Gli scienziati potrebbero aver scoperto i più potenti acceleratori di particelle dell'universo, disseminati nella nostra galassia ed in attesa di esplodere.

Una nuova ricerca ha scoperto che le supernove possono diventare alcuni dei più potenti acceleratori di particelle dell'universo, ma solo se rilasciano una grande quantità di gas prima di esplodere.

Per quasi un secolo, gli astronomi hanno rilevato particelle ad alta energia provenienti dall'universo remoto. Conosciute come raggi cosmici, sono composte principalmente da protoni ed, occasionalmente, da nuclei di elementi più pesanti. La maggior parte dei raggi cosmici viene deviata dal campo magnetico terrestre od assorbita nell'alta atmosfera, ma alcuni riescono a raggiungere la superficie terrestre. Circa una volta al secondo, un raggio cosmico riesce a colpire il nostro corpo.

I raggi cosmici coprono un ampio spettro di energie, con i più potenti che superano il peta-elettronvolt (PeV). Si tratta di un quadrilione di elettronvolt, ovvero fino a mille volte più potenti delle energie di collisione del Large Hadron Collider, il più potente acceleratore di particelle al mondo.

Gli astronomi sospettano da tempo che la morte esplosiva di stelle massicce possa essere responsabile di questi raggi cosmici estremamente potenti. Dopotutto, queste supernove hanno tutti gli ingredienti giusti: una detonazione con energia più che sufficiente, un'ondata di particelle elementari e campi magnetici in grado di scatenare la frenesia di queste particelle prima di rilasciarle nel cosmo.

Ma le osservazioni dei resti di supernovae vicine, come Tycho e Cassiopea A, non hanno soddisfatto le aspettative: i raggi cosmici provenienti da quei luoghi sono molto più deboli del previsto.

In un articolo accettato per la pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics, i ricercatori hanno recuperato l'ipotesi della supernova e hanno scoperto che, in casi particolari, i resti di supernova sono effettivamente in grado di trasformarsi in "PeVatron", ovvero esplosioni in grado di generare raggi cosmici PeV.

Il gruppo ha scoperto che, prima di diventare una supernova, una stella deve perdere una quantità significativa di massa, pari ad almeno due volte la massa del Sole. Questo è abbastanza comune, poiché venti potenti possono spazzare via gli strati esterni dell'atmosfera di una stella prima dell'esplosione principale. Ma, cosa fondamentale, quel materiale non può disperdersi troppo ampiamente. Deve rimanere denso, compatto e vicino alla stella.

Poi, quando finalmente si verifica la supernova, l'onda d'urto della stella che esplode si abbatte su questo guscio di materia. Ed allora si scatena l'inferno.

Mentre l'onda d'urto attraversa il guscio circostante, i campi magnetici raggiungono energie incredibilmente potenti. Questi campi magnetici catturano qualsiasi particella subatomica casuale – i detriti nel guscio – e la accelerano, facendola rimbalzare avanti e indietro all'interno dell'onda d'urto. A ogni rimbalzo, la particella acquisisce più energia. Infine, ne riceve abbastanza per abbandonare completamente il caos e riversarsi nell'universo.

Ma nel giro di pochi mesi, il sistema perde potenza man mano che l'onda d'urto rallenta. Produce ancora abbondanti raggi cosmici, ma non oltre la soglia del PeV.

Questo scenario spiega perché non abbiamo osservato direttamente alcun PeVatron attivo. Anche se una supernova esplode nella Via Lattea ogni pochi anni, nessuna di queste è stata abbastanza vicina in tempi moderni da permetterci di osservare la breve finestra temporale in cui possono accelerare i raggi cosmici a queste energie estreme. Quindi non ci resta che avere pazienza.

ENGLISH

Scientists may have discovered the most powerful particle colliders in the universe — and they're strewn throughout our galaxy just waiting to blow.

Supernovas can become some of the most powerful particle colliders in the universe — but only if they pass a whole lot of gas before they explode, new research finds.

For almost a century, astronomers have detected high-energy particles streaming in from the distant universe. Known as cosmic rays, they are made primarily of protons and, occasionally, nuclei of heavier elements. Most cosmic rays are deflected by Earth's magnetic field or are absorbed in the upper atmosphere, but some make it all the way to the surface. Roughly once every second, a cosmic ray manages to strike your body.

The cosmic rays span a broad range of energies, with the most powerful ones topping one peta-electron volt (PeV). That's one quadrillion electron volts, or up to a thousand times more powerful than the collision energies of the Large Hadron Collider, the world's most powerful atom smasher.

Astronomers have long suspected that the explosive deaths of massive stars may be responsible for these extremely powerful cosmic rays. After all, these supernovas have all the right ingredients: There is a detonation with more than enough energy, a flood of elementary particles, and magnetic fields that can drive those particles into a frenzy before releasing them into the cosmos.

But observations of nearby supernova remnants such as Tycho and Cassiopeia A have not met expectations; the cosmic rays coming from those places are far weaker than expected.

In a paper accepted for publication in the journal Astronomy & Astrophysics, researchers have rescued the supernova hypothesis and found that, in special cases, supernova remnants are indeed capable of becoming "PeVatrons" — that is, explosions capable of generating PeV cosmic rays.

The team found that, before going supernova, a star must lose a significant amount of mass — at least two suns' worth of material. This is fairly common, as powerful winds can drive off the outer layers of a star's atmosphere prior to the main explosion. But crucially, that material can't disperse too widely. It has to stay dense, compact and close to the star.

Then, when the supernova finally happens, the shock wave from the exploding star slams into this shell of material. And then all hell breaks loose.

As the shock travels through the surrounding shell, magnetic fields ramp up to incredibly powerful energies. These magnetic fields take any random subatomic particles — the debris in the shell — and accelerate them, bouncing them back and forth within the shock wave. With every bounce, the particle gains more energy. Finally, it gets enough energy to leave the chaos altogether and stream into the universe.

But within a few months, the system loses steam as the shock wave slows down. It still produces abundant cosmic rays, but not above the PeV threshold.

This scenario explains why we haven't directly observed any active PeVatrons. Even though a supernova goes off in the Milky Way every few years, none have been close enough in modern times for us to observe the short window when they can accelerate cosmic rays to these extreme energies. So we'll just have to be patient.

Da:

https://www.livescience.com/space/astronomy/scientists-may-have-discovered-the-most-powerful-particle-collider-in-the-universe