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Sulla Terra messaggi ad altissima energia dai buchi neri
I fisici dell’Osservatorio Pierre Auger hanno scoperto i messaggeri che arrivano dai buchi neri nel cuore di galassie vicine: si tratta di raggi cosmici che colpiscono la Terra a una energia oltre 10 milioni di volte maggiore di quella che si riesce a raggiungere negli acceleratori di particelle esistenti.
In uno studio che esce sul numero del 9 novembre della rivista scientifica Science i ricercatori dell’Osservatorio Pierre Auger (finanziato anche dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) hanno annunciato che le galassie con nuclei attivi (Active Galactic Nuclei, o AGN) dove agiscono giganteschi buchi neri sono molto probabilmente le sorgenti della pioggia di raggi cosmici ad altissima energia che colpisce il nostro pianeta. Questi buchi neri si comportano come dei giganteschi e potentissimi acceleratori di particelle naturali situati a circa 200-300 milioni di anni luce dalla nostra galassia, la Via Lattea. Le particelle arrivano con una energia che è oltre 10 milioni di volte maggiore di quella raggiungibile sulla Terra con le più potenti macchine per accelerare particelle. Ma che, per le dimensioni ridotte delle particelle, l’energia è pur sempre paragonabile a quella di una pallina di tennis colpita da un campione al servizio.
Viene risolto così un mistero cosmico che durava da decenni, da quando cioè per la prima volta sono stati osservati raggi cosmici ad altissima energia (si tratta di nuclei leggeri, in particolare protoni) provenienti dallo spazio che interagiscono con gli atomi dell’atmosfera producendo sciami di particelle. Queste particelle raggiungono il suolo a velocità straordinarie, distribuendosi su aree che possono raggiungere anche i 40 chilometri quadrati.
L’Osservatorio Auger, dove è stata fatta questa scoperta, si trova in Argentina ed è il maggior strumento per lo studio della radiazione cosmica che sia mai stato costruito. E’ stato progettato, costruito ed operato da una collaborazione internazionale comprendente 17 Paesi. Per l’Italia partecipano all’esperimento gruppi delle Università e Sezioni dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Catania, L’Aquila, Lecce, Milano, Napoli, Roma Tor Vergata e di Torino, i Laboratori INFN del Gran Sasso e le Strutture INAF di Palermo e di Torino. Il contributo Italiano alla costruzione e operazione dell’Osservatorio è stato finanziato dall’INFN con parziale supporto da parte del Ministero dell’Università e della Ricerca e di ALFA-EC nell’ambito del progetto HELEN.
“Scoperte come questa di Auger potrebbero segnare l’inizio di una nuova astronomia – commenta il professor Roberto Petronzio, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) – Oggi, ci danno la possibilità di comprendere meglio l’origine di eventi catastrofici come quelli che danno vita ai buchi neri all’interno dei nuclei delle galassie”.
PER SAPERNE DI PIU’
L’Osservatorio Auger (così chiamato dal nome del fisico francese Pierre Auger, scopritore degli sciami di raggi cosmici) è un sistema ibrido che comprende rivelatori di superficie e telescopi di fluorescenza. I rivelatori di superficie (circa 1600) coprono un’area di 3000 km2, sono distanziati tra loro di 1,5 km e sono in grado di osservare gli sciami dei raggi cosmici quando colpiscono la superficie terrestre. I telescopi di fluorescenza (in totale 24) osservano la debole luce di fluorescenza prodotta dagli sciami mentre si sviluppano nell’atmosfera. Con queste tecniche si può ricavare l’energia e la direzione di provenienza dei raggi cosmici cercando quindi di individuare le sorgenti.
Recentemente la collaborazione Auger ha potuto osservare che i raggi cosmici di altissima energia, maggiore di circa 5x1019 eV (elettronvolt) non provengono uniformemente da tutte le direzioni. La distribuzione delle direzioni misurate sulla Terra non è infatti isotropa.
Dei 27 eventi di altissima energia che sono stati osservati, 20 sono strettamente correlati, entro un angolo di circa 3 gradi con galassie aventi nuclei attivi (AGN) che si trovano a distanze inferiori a circa 250 milioni di anni luce dalla nostra Terra. Nel caso di distribuzione isotropa si sarebbero dovuti osservare soltanto 5 eventi accidentalmente correlati con gli AGN.
Si ritiene che al centro degli AGN ci siano buchi neri , “oggetti” astrofisici con enormi masse, dell’ordine di milioni o miliardi di volte maggiori di quella del nostro Sole, concentrate in dimensioni talmente ristrette che l’attrazione gravitazionale non permette nemmeno alla luce di sfuggire. I buchi neri attraggono la materia circostante dando luogo a fenomeni complessi che coinvolgono processi estremamente violenti con liberazione di enormi quantità di energia. Apparentemente in prossimità di questi straordinari e sotto molti aspetti misteriosi “oggetti” vengono prodotti i raggi cosmici di altissima energia che sono rivelati dall’Osservatorio Auger ma i dettagli del meccanismo di accelerazione sono ancora ignoti.
Nel loro lungo cammino dalle sorgenti fino alla Terra i raggi cosmici di alta energia interagiscono con la radiazione elettromagnetica di fondo che pervade tutto il Cosmo e perdono progressivamente energia. Per questa ragione quelli di energia più elevata possono provenire solo da una regione relativamente vicina (su scala cosmica) intorno alla nostra Galassia, cioè da distanze inferiori a circa 200-300 milioni di anni luce. Questo implica che il flusso di raggi cosmici osservato sulla Terra non può estendersi indefinitamente ma deve presentare una decrescita alle energie più alte. Questo effetto è presente nei risultati dell’ Osservatorio Auger.
Ricercatori dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso e del Dipartimento di Fisica dell’Università di L’Aquila sono coinvolti in queste ricerche sin dai sui inizi: la lunga esperienza fatta lavorando in esperimenti dedicati allo studio dei Raggi Cosmici presso i Laboratori ha permesso loro di contribuire in modo importante al nuovo esperimento.
Il prof. Sergio Petrera, ordinario di Fisica Nucleare, presso il Dipartimento di Fisica di L’Aquila ha così commentato: "Questo importante risultato scientifico, per quanto venga da un osservatorio così lontano, ci è molto vicino. L'Osservatorio Auger, in Argentina, e il Laboratorio del Gran Sasso svolgono entrambi ricerche nella stessa area scientifica, la "fisica astroparticellare". E' per questo motivo che, alcuni anni or sono, un gruppo misto composto da ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Universita' dell'Aquila e dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso ha deciso di partecipare alla realizzazione di questo esperimento, convinti che avrebbe portato un arricchimento culturale alla già importante esperienza scientifica in fisica astroparticellare presente nel nostro territorio.
Il risultato di oggi è in qualche modo la logica prosecuzione di una linea di ricerca, quella dei raggi cosmici, giàintrapresa da alcuni di noi presso i LNGS con gli esperimenti EASTOP e MACRO."
Il dott. Aurelio Grillo, Dirigente di Ricerca presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso ha dichiarato:” Negli ultimi decenni, alla tradizionale astronomia che usa i telescopi come strumenti, si sono aggiunte altre 'astronomie' che usano differenti messaggeri: le onde radio, i raggi X, i raggi gamma e, almeno nel caso dell' esplosione della Supernova del 1987, i neutrini. Ogni nuova 'astronomia' da informazioni su aspetti precisi fra loro complementari di oggetti celesti in cui spesso avvengono processi che producono quantita' immense di energia.
Ci sono adesso delle forti indicazioni, prodotte dall' Osservatorio Pierre Auger, in merito alla nascita di una nuova 'astronomia', quella dei Raggi Cosmici di altissima energia. Particelle di così alta energia non potranno mai essere prodotte in laboratori terrestri: un acceleratore con la più moderna tecnologia attuale dovrebbe avere le dimensioni dell' orbita di Marte per produrle, e solo a tempi estremamente vicini al Big Bang singole particelle avrebbero potuto avere energie simili.
I ricercatori che lavorano all'Osservatorio Pierre Auger hanno scoperto che queste particelle puntano alle loro sorgenti nel cielo. Quando queste indicazioni diventeranno più forti (l' Osservatorio è previsto durare almeno 10 anni) si potranno conoscere meglio questi oggetti celesti, che probabilmente ospitano immensi buchi neri al loro centro.
L' Osservatorio Pierre Auger è in fase di costruzione finale in Argentina, e buona parte dei ricercatori italiani che hanno contribuito a questa scoperta hanno iniziato la loro attività in esperimenti di fisica dei Raggi Cosmici (EAS-TOP, MACRO, LVD) presso i Laboratori del Gran Sasso”.