L'Osservatorio Auger risolve il mistero dei raggi cosmici ultraenergetici: trovato il legame con i buchi neri

I fisici della Collaborazione Pierre Auger hanno annunciato oggi (8 Novembre 2007) che i nuclei galattici attivi sono molto probabilmente le sorgenti dei raggi cosmici piu' energetici che colpiscono la superficie terrestre. Utilizzando l'Osservatorio Pierre Auger, in Argentina, il piu' grande osservatorio del mondo per questo genere di studi, un team di scienziati di diciassette nazioni ha scoperto che le sorgenti dei raggi cosmici di altissima energia non sono distribuite uniformemente nel cielo. Al contrario, i risultati di Auger trovano il legame tra queste particelle misteriose e la posizione delle galassie piu' vicine con un nucleo attivo al loro centro. I risultati sono apparsi nel numero di Science uscito il 9 Novembre.

Si pensa che i nuclei galattici attivi (AGN) siano alimentati da buchi neri supermassivi, che fagocitano enormi quantita' di materia. Da molto tempo, queste regioni sono state considerate probabili fonti di particelle di altissima energia, ingoiando gas, polveri e materia dalle galassie che li ospitano e restituendo il tutto in forma di energia e particelle elementari. Mentre molte galassie hanno un buco nero nel loro centro, solo una frazione di esse ha un nucleo attivo. Si ignora il meccanismo con cui gli AGN possono accelerare particelle a energie 100 milioni di volte piu' elevate del piu' potente acceleratore di particelle costruito dall'uomo.

Jim Cronin, a sinistra, e Alan Watson

"Abbiamo fatto un grande passo avanti verso la soluzione del mistero della natura e dell'origine dei raggi cosmici piu' energetici, scoperti nel 1938 dal fisico francese Pierre Auger," dice il Premio Nobel James Cronin, che ha concepito il progetto dell'Osservatorio Auger assieme ad Alan Watson della Universita' di Leeds. "Noi vediamo che il cielo dell'emisfero sud, se osservato con i raggi cosmici ultra-energetici , non e' uniforme. E' cominciata l'era dell'astronomia con i raggi cosmici. Nei prossimi anni saremo in grado di usare i nostri dati per identificare esattamente le loro sorgenti e i loro meccanismi di accelerazione."

I raggi cosmici sono protoni e nuclei atomici che attraversano le profondita' dell'universo a velocita' relativistiche. Quando queste particelle colpiscono gli atomi dell'alta atmosfera terrestre, creano una cascata di particelle secondarie nota con il nome di sciame cosmico, che possono disperdersi su aree fino a 40 chilometri quadrati quando colpiscono la superficie terrestre.

"Questo risultato apre una nuova finestra verso l'universo nelle vicinanze della nostra galassia, e sancisce l'atto di nascita dell'astronomia con i raggi cosmici," ha detto Alan Watson, spokeperson della Collaborazione Pierre Auger. "Continuando la raccolta di nuovi dati, potremo studiare le singole galassie in maniera dettagliata e completamente nuova. Come avevamo anticipato, il nostro osservatorio sta fornendo una nuova immagine dell'universo, usando i raggi cosmici invece della luce."

Membri della Pierre Auger Collaboration

L'Osservatorio Pierre Auger studia gli sciami di raggi cosmici usando una rete di 1,600 rivelatori di particelle distanziati tra loro di 1.5 chilometri, a ricoprire una superficie di circa 3000 chilometri quadrati. Simultaneamente, 24 telescopi di nuova concezione, specializzati alla rivelazione della tenue luce di fluorescenza emessa dallo sciame attraversando l'atmosfera, complementano l'informazione dei rivelatori di superficie, potenziando enormemente questo eccezionale strumento di ricerca.

L'Osservatorio ha rivelato finora quasi un milione di raggi cosmici; di questi, solo la frazione a piu' alta energia puo' essere associata alle sorgenti con precisione adeguata. A tutt'oggi, sono stati registrati 81 raggi cosmici con energia superiore a 4 x 10^19 electronvolts, o 40 EeV: e' il piu' alto numero di eventi del genere rivelati da qualsiasi osservatorio. Ad energie cosi' elevate, l'incertezza nella direzione di arrivo e' di pochi gradi, e consente di determinare con precisione la sorgente del raggio cosmico.

La Collaborazione Auger ha scoperto che 27 eventi di altissima energia, superiore a 57 EeV, non provengono da tutte le direzioni in maniera uniforme. Confrontando le direzioni di provenienza con le posizioni celesti note dei 318 AGN piu' vicini alla terra, la collaborazione ha trovato che la maggioranza degli eventi e' correlata agli AGN nelle galassie vicine, come Centaurus A.

Sulla sfera celeste in coordinate galattiche (proiezione di Aitoff) si mostrano le direzioni di arrivo dei 27 raggi cosmici piu' energetici ( cioe' con energie superiori a 57 x 10¹⁸ elettronvolt, 57 EeV in breve) osservati dall'Osservatorio Auger. Queste appaiono come cerchi di raggio 3.1°. Le posizioni dei 472 AGN entro 75 megaparsecs sono mostrati come asterischi rossi. La regione blu definisce il campo di vista dell'Osservatorio Sud; regioni in blu piu' scuro indicano una maggiore esposizione. La curva solida delinea il limite del campo di osservazione, dove l'angolo zenitale raggiunge i 60°. L'AGN piu' vicino, Centaurus A, e' indicato con un asterisco bianco. Due dei 27 raggi cosmici piu' energetici puntano a questa galassia entro un angolo di 3° . Il piano supergalattico e' indicato dalla curva tratteggiata. Questo piano denota una regione con alta concentrazione di galassie vicine, inclusi gli AGN. Clicca sulla figura per ingrandire

Le Poste Argentine hanno di recente emesso un francobollo da 0.75 pesos per celebrare l'Observatorio Pierre Auger.

"I raggi cosmici di bassa energia sono abbondanti e provengono da tutte le direzioni, principalmente da sorgenti entro la Via Lattea. Fino ad oggi, l'unica fonte certa di radiazione cosmica era il sole. Per effetto dei campi magnetici all'interno della nostra galassia, i raggi cosmici, prodotti probabilmente da esplosioni stellari, percorrono traiettorie non rettilinee che non ci consentono di risalire alle sorgenti ottiche. Studiando invece i raggi prodotti da meccanismi estremamente piu' violenti, vediamo che questi puntano alle loro sorgenti. Rivelare un numero sufficiente di questi 'proiettili cosmici', in modo di poter capire quale meccanismo li spara nello spazio, sara' la sfida che ci attende. " sostiene Paul Mantsch, project manager dell'Osservatorio.

I raggi cosmici con energia superiore ai 60 EeV perdono energia per effetto delle collisioni con il fondo cosmico a microonde, la radiazione residua del Big Bang che pervade tutto lo spazio. Ma i raggi da sorgenti vicine hanno meno probabilita' di perdere energia durante il loro (relativamente) corto tragitto verso la Terra. Gli scienziati di Auger hanno visto che buona parte dei 27 eventi con energia superiore a 57 EeV vengono da AGN situati entro un raggio di alcune centinaia di milioni di anni-luce dal nostro pianeta.

Un immagine della galassia Centaurus A (NGC 5128), presa con il telescopio da 4 metri di Cerro Tololo. Il centro di questa galassia ospita il nucleo galattico attivo piu' vicino a noi, ad una distanza di 11 milioni di anni luce. L'Osservatorio Auger ha osservato 2 raggi cosmici ultra energetici entro 3° da questo oggetto. Crediti: National Optical Astronomy Observatories.

Gli scienziati pensano che la maggior parte delle galassie abbia un buco nero al centro, con una massa tra un milione e qualche miliardo di volte quella del nostro sole. Il buco nero al centro della Via Lattea 'pesa' circa 3 milioni di soli, ma non e' un nucleo galattico attivo. Le galassie con un AGN sembrano essere quelle che hanno subito una collisione con un'altra galassia o qualche evento catastrofico nelle ultime centinaia di milioni di anni. L'AGN ingoia la massa che lo circonda emettendo impressionanti quantita' di radiazione. Il risultato di Auger indica che questi AGN possano anche essere i piu' potenti acceleratori di particelle dell'universo.

L'astronomia con i raggi cosmici e' una sfida estremamente impegnativa. I raggi di bassa energia non danno informazioni sull'ubicazione delle loro sorgenti: mentre attraversano le profondita' cosmiche, i campi magnetici galattici e extra-galattici li deflettono, producendo come risultato un'immagine sfocata dell'universo. Essendo solo marginalmente deviate dai campi magnetici , le particelle piu' energetiche puntano direttamente alle sorgenti, ma sono molto rare: colpiscono la terra con frequenze dell'ordine di circa 1 evento al chilometro quadrato al secolo, il che spiega la necessita' di un osservatorio molto esteso in superficie.

Le dimensioni dell'Osservatorio Auger consentono di osservare una trentina di questi eventi all'anno. La collaborazione sta pensando a un secondo sito, piu' esteso, in Colorado, che consenta di completare la copertura del cielo, aumentando il numero di eventi di altissima energia.

L'Osservatorio Pierre Auger e' un rivelatore ibrido. Sulla collina si puo' vedere uno dei 4 edifici che ospitano i Rivelatori di Fluorescenza, e la torre per le comunicazioni radio. In primo piano, in basso, uno dei 1600 Rivelatori di Superficie.

" I nostri risultati mostrano che l'astronomia a raggi cosmici ha un futuro promettente," dice il cospokesperson Giorgio Matthiae, dell'Universita' di Roma Tor Vergata. " Al momento abbiamo installato 1500 dei 1600 rivelatori di superficie dell'osservatorio argentino. Un sito nell'emisfero nord ci permetterebbe di estendere lo studio a un maggior numero di galassie e buchi neri, aumentando la sensibilita' totale dell'Osservatorio. Nell'emisfero boreale ci aspettiamo di vedere anche piu' AGN vicini che nell'emisfero australe."

Uno sciame di raggi cosmici visto da tutti quattro i rivelatori di fluorescenza. Ogni rivelatore registra la crescita e il decadimento di uno sciame atmosferico esteso di raggi cosmici, costituito da miliardi di particelle secondarie.

L'Osservatorio Pierre Auger e' realizzato da un team di piu' di 370 fisici ed ingegneri di 17 nazioni.

" Il progetto e' frutto di una vera collaborazione internazionale, in cui nessuna nazione contribuisce con piu' di un quarto del costo totale della sua realizzazione, circa 54 milioni di dollari USA," ha detto Danilo Zavrtanik, dell'Universita' di Nova Gorica, presidente dell'Auger Collaboration Board. Il nome degli enti finanziatori che contribuscono all'Osservatorio Auger si possono trovare qui, e i nomi delle istituzioni partecipanti sono elencati qui.

La posa della prima pietra del sito nell'emisfero sud ebbe luogo il 17 Marzo 1999, nella Provincia di Mendoza, Argentina. In seguito a un periodo di sviluppo, installazione e test dei rivelatori, la presa dati e' cominciata nel Gennaio 2004.

" L'Argentina e' onorata di ospitare questa eccezionale impresa scientifica, " ha detto Alberto Etchegoyen, della Comisión Nacional de Energía Atómica, direttore dell'Ossevatorio Sud," e ora, rivolgendo lo sguardo a questi ultimi eccitanti anni di lavoro e di passione, provo un senso di gratitudine e rispetto per tutti i membri della collaborazione, che hanno contribuito a ogni minimo dettaglio dell'impresa che ha portato alla scoperta che annunciamo oggi."

L'Osservatorio prende il nome dal fisico francese Pierre Victor Auger (1899-1993), che nel 1938 e' stato il primo ad osservare gli sciami estesi generati dall'interazione dei raggi cosmici di alta energia con l'atmosfera terrestre.