Eccesso di positroni: le pulsar sembrano innocenti

L’osservatorio HAWC in Messico ha raccolto i raggi gamma provenienti da due pulsar, scagionandole come colpevoli dell’eccesso di positroni registrato nei pressi della Terra

Un'immagine del rilevatore HAWC e dei suoi 300 serbatoi d'acqua (188.000 litri ciascuno). Crediti: Jordan A. Goodman

Un'immagine del rilevatore HAWC e dei suoi 300 serbatoi d'acqua (188.000 litri ciascuno). Crediti: Jordan A. Goodman

Elisa Nichelli 16 novembre 2017

Si chiama High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) ed è un osservatorio ad alta quota di raggi gamma situato in Messico. Il team internazionale che lo ha costruito e lo gestisce è riuscito a catturare, per la prima volta, un’immagine a grande angolo dell’emissione gamma di altissima energia proveniente dal cielo, individuando in partiolare il contrbuto proveniente da due pulsar vicine alla Terra, ovvero due stelle di neutroni in rapida rotazione , tra cui Geminga.


 


I dati raccolti forniscono informazioni cruciali per far luce su un eccesso di antimateria di tipo elementare, ovverso positroni di altissima energia, osservati nella vicinanza della Terra.


 


Nel 2008, infatti, è stato osservato da Pamela in orbita a qualche centinaio di chilometri dall'atmosfera terrestre, , un eccesso di positroni a partire da 10 Gev di energia. Lo spettrometro  AMS a partire dela 2012 ha mostrato come la misura dell'eccesso di energia si estenda fino oltre 500 Gev e inizi poi a calare, mostrando una struttura spettrale. Anche l'esperimento FERMI, progettato per osservare i raggi gamma di alta energia, ha confermato l'osservazione di un eccesso di prositroni. Le possibili spiegazioni che sono state proposte dai ricercatori sono principalmente due: o l’emissione dovuta a stelle di neutroni, oggetti collassati e in rapida rotazione attorno al proprio asse chiamati dette anche pulsar, oppure altri tipi processi astrofisici che coinvolgono la materia oscura, la componente dell’Universo di cui conosciamo solo gli effetti gravitazionali. Grazie ai nuovi dati forniti da HAWC, è stato possibile effettuare misure dettagliate per osservare per la prima volta in dettaglio le due pulsar e valutarne il loro ruolo come sorgenti dell'’eccesso di positroni ad altissima energia.


 


Gli scienziati hanno scoperto che è molto improbabile che queste due trottole stellari siano responsabili dell’eccesso di antimateria osservato ad alta energia da AMS, poiché  a causa di una serie di effetti analizzati da HAWC, il flusso di positroni osservabili sulla Terra è circa 100 volte più basso di quello che è stato assunto fino ad ora. I risultati dello studio sono stati pubblicati sull’ultimo numero della rivista Science.


 


Questi risultati in particolare si applicano ai risultati dell'esperimento AMS che ha misurato lo spettro dei positroni fino ad oltre i 500 Gev di energia. AMS (Anti Matter Spectrometer), il grande laboratorio orbitante ISS, che utilizza i raggi cosmici per effettuare misure di precisione caratteristiche della fisica delle particelle, è stato realizzato col contributo fondamentale dell’Italia. L’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sono infatti i primi contributori dell’impresa  e collaborano a questo progetto dal 1994.  Lo studio ha anche mostrato che il segnale in eccesso si estende per centinaia di giga-elletronvolt.  


 



 


«Questa nuova misura è entusiasmante, perché mette a dura prova l’idea che questi positroni in più stiano arrivando sulla Terra da due pulsar vicine», dice Jordan Goodman, professore di fisica all'Università del Maryland e Principal Investigator di HAWC. «Le nostre misurazioni non sono decisive  a favore della materia oscura, ma qualsiasi nuova teoria che cerchi di spiegare l’eccesso di antimateria utilizzando pulsar deve tener conto di ciò che abbiamo trovato». Per poter misurare i raggi gamma provenienti da sorgenti cosmiche, HAWC utilizza l’effetto Cherenkov dovuto al passaggio delle particelle prodotte dai raggi gamma stessi in grandi vasche d’acqua.


 


«I nuovi dati di HAWC permettono di semplificare in modo sostanziale la nostra comprensione delle possibili sorgenti dell’impressionante eccesso di antimateria elementare, positroni, osservato da AMS fino ad oltre 500 GeV. L’ipotesi che questo segnale sia dovuto alle pulsar vicine alla Terra viene sostanzialmente scartata. Aumenta invece la probabilità che sia invece un effetto dovuto a nuova fisica, ad esempio all’annichilazione di particelle di materia oscura o ad altri effetti non considerati fino ad ora» ha dichiarato Roberto Battiston, presidente dell’ASI e fondatore nel 1994, assieme al premio Nobel Samuel Ting, dell’esperimento AMS: «Si tratta di un ulteriore esempio di astrofisica multimessenger come nel caso della recente osservazione della fusione di due stelle di neutroni, dove le onde gravitazionali e la luce sono state contemporaneamente usate per analizzare questo fenomeno. In questo caso il messaggero sono i raggi cosmici osservati da AMS, mentre i raggi gamma di alta energia permettono di interpretare i dati da AMS eliminando una delle possibile sorgenti astrofisiche».


 


Nel caso dei raggi gamma provenienti da una pulsar, tale emissione luminosa testimonia la presenza di particelle accelerate dalla stella e la dimensione della regione di spazio da cui provengono tali raggi energetici permette di stimare quanto rapidamente la materia si allontana rispetto alle pulsar e dunque quanti positroni potrebbero aver raggiunto la Terra da una specifica sorgente. Tale velocità di diffusione risulta molto più bassa del previsto e quindi il flusso di positroni rilevabili vicino alla Terra molto meno intenso. 


 


Le misure raccolte da HAWC hanno, quindi, assolto le pulsar note come Geminga e PSR B0656+14, le quali, sebbene abbiano l’età e la distanza giuste da spiegare la quantità di positroni osservato non sono in grado di spiegare l'effetto osservato da  AMS ad alta energia né la coda ad energia più bassa. 


 


Questa misura non sarebbe stata possibile senza l’ampio campo di vista di HAWC, che è in grado di osservare circa un terzo del cielo. Con i suoi 300 serbatoi d’acqua, l’osservatorio HAWC è ottimizzato per la raccolta di vere e proprie “cascate” di particelle provenienti da raggi gamma con energie fino a 10 milioni di volte quella di una lastra ai raggi X. Se un raggio gamma così energetico impatta sull’atmosfera produce una pioggia di particelle che si muove verso il suolo.


 


Quando queste particelle raggiungono i serbatoi di HAWC, il loro passaggio nell’acqua genera lampi di luce blu, permettendo ai ricercatori di ricostruire le caratteristiche del raggio gamma originario in particolare la sua energia e la posizione nel cielo della sua origine.


 


 


Circa l’emissione misurata dalle due pulsar ritenute responsabili essa è insufficiente per spiegare l’eccesso di positroni osservato da AMS intorno ai 500 GeV. I ricercatori non escludono che teorie più complesse relativamente alla diffusione dei raggi cosmici possano essere sviluppate per spiegare questo effetto, anche se non sembra molto probabile. La materia oscura potrebbe quindi fornire la giusta spiegazione, ma saranno necessarie ulteriori prove per potersi esprimere in modo netto e definitivo.

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