Astrofisica multimessaggero: la sorgente delle particelle fantasma è un Blazar

Sarebbero dei buchi neri supermassicci chiamati Blazar ad emettere le particelle fantasma ad alta energia: questa è la risposta al rompicapo su cui da tempo si interrogano gli astronomi.
Stiamo parlando dei neutrini, particelle subatomiche che viaggiano nello spazio e che riescono ad attraversare la terra indisturbate, senza alcun contatto con la materia che la costituisce (da qui il nome "particelle fantasma"). In particolare ci riferiamo a quei neutrini che viaggiano con un'energia estremamente elevata, aventi una storia diversa da quelli generati dal Sole e dai quali siamo continuamente inondati.
Un team internazionale di scienziati ha trovato la prima prova che identifica un Blazar, ovvero un buco nero, come possibile fonte di neutrini cosmici ad alta energia, che possono viaggiare per miliardi di anni luce senza scontrarsi con nessun'altra particella nel loro percorso. I principali protagonisti di questa scoperta sono l'osservatorio di neutrini del polo sud e il telescopio orbitale Fermi, specializzato nella rilevazione di raggi gamma. Nel nostro speciale vi spiegheremo cosa sono i neutrini e i raggi cosmici, cos'è un Blazar e come è stato possibile identificare la sorgente delle particelle fantasma ad alta energia grazie alla nuova astrofisica multimessaggero.

L'osservazione di un singolo neutrino è alla base della scoperta

I neutrini sono particelle di massa estremamente piccola, elettricamente neutri e che non risentono della forza nucleare forte. Nel loro viaggio intergalattico è difficile che riescano a scontrarsi con altre particelle (riuscirebbero ad attraversare un essere umano senza alcun problema) poiché insensibili a qualunque campo elettromagnetico che incontrano, e per il fatto che interagiscono con la materia solo per mezzo della forza nucleare debole, che ha un raggio di interazione estremamente limitato, e della forza gravitazionale, irrilevante vista la massa piccola.
Nonostante la bassa probabilità che un neutrino si scontri con altra materia, nel IceCube Neutrino Observatory, presso l'Amundsen-Scott South Pole Station in Antartide, è stato registrato il passaggio di un singolo neutrino ad alta energia il 22 settembre 2017, uno solo tra i diversi milioni che sono stati stimati.
L'osservatorio è posto a 1,5 km al di sotto di uno spesso strato di ghiaccio: quando un neutrino si scontra con una molecola di ghiaccio viene prodotto un muone, che a differenza del neutrino rilascia una traccia di luce blu (immagine precedente). I vari sensori di luce posti nel chilometro cubo di volume dell'osservatorio sono riusciti ad identificare il passaggio del neutrino e la sua direzione di provenienza, rilevando questa traccia di luce blu. Il video che segue mostra esattamente il fenomeno vi abbiamo descritto.

L'osservatorio è dotato di un sistema di allerta quasi in tempo reale che ha avvisato diversi telescopi di tutto il mondo per osservare la zona dalla quale è provenuto il neutrino. I telescopi in grado di captare le radiazioni gamma come il Fermi Gamma-ray Space Telescope, in orbita, e il Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) sulle isole canarie hanno rilevato dei raggi gamma (radiazioni elettromagnetiche ad alta frequenza) ad alta energia nel punto dal quale sarebbe provenuto il neutrino, che corrisponde al Blazar TXS 0506+056.

Il Blazar è la fonte dei neutrini e dei raggi gamma

I raggi gamma rilevati dal telescopio Fermi sono i più energetici mai osservati dalla sua costruzione; mentre il telescopio terrestre MAGIC ha misurato raggi gamma di intensità ancora più elevata. In seguito l'osservazione è stata confermata ulteriormente da telescopi ad onde radio e visibili (luce).
TXS 0506+056 è un Blazar (blazing quasi-stellar object), una delle sorgenti luminose più intense mai avvistate in tutto l'universo, il nucleo attivo di una galassia ellittica gigantesca al cui centro esiste un buco nero supermassiccio. Questo emette due getti di plasma dai poli corrispondenti al suo asse di rotazione. Uno di questi due getti punta proprio verso il nostro pianeta.
A 4 miliardi di anni luce di distanza, nella costellazione di Orione, esiste dunque un buco nero ruotante che emette dei getti di plasma ad alta energia, alimentati dal materiale (gas, polveri e stelle) che ruota in un moto a spirale e forma il così detto disco di accrescimento attorno al buco nero stesso. Perpendicolare a questo disco, come mostra la figura che segue, vengono sprigionati due getti di plasma altamente energetico che rendono il centro della galassia estremamente luminoso.

I raggi cosmici prodotti dal Blazar

Quando si parla di raggi cosmici non ci si riferisce alla radiazione elettromagnetica ma a particelle cariche con massa come i protoni. Sono le particelle a più alta energia che siano state mai osservate sulla terra, centinaia di milioni di volte più energetiche di quelle accelerate nel LHC al CERN di Ginevra. Fino ad oggi la loro sorgente era un mistero ma grazie alla rilevazione delle radiazioni gamma e dei neutrini del 22 settembre ora sappiamo che a generarle sono oggetti come il Blazar.

Il Blazar agisce come un gigantesco acceleratore di particelle e crea degli incredibili fasci di protoni accelerati ad energie estremamente elevate. Non è ancora chiaro come il Blazar riesca ad accelerare le particelle ai quantitativi energetici misurati, ma sapere che i neutrini entrano in gioco nel fenomeno dei raggi cosmici aiuterà la futura ricerca sulla natura fisica del processo di accelerazione.
Il dato del 22 settembre ha aiutato gli astronomi a riconoscere rilevazioni di neutrini precedenti a quella data, scoprendo che tra il 2014 ed il 2015 ci sono stati più di una dozzina di misurazioni del passaggio di neutrini. IceCube mediamente misura il passaggio di neutrini nel giro di pochi minuti l'uno dall'altro, ma quelli ad alta energia (300 TeV) emessi dal Blazar sono eventi incredibilmente rari.

L'astrofisica multimessaggero sancisce una nuova epoca di scoperte

Solitamente gli astronomi sono armati di strumenti che misurano il quantitativo di luce che viaggia nello spazio, ovvero energia elettromagnetica. Esistono giganteschi telescopi radio, quelli più simili alle fotocamere che catturano la luce visibile, o altri agli infrarossi, ultravioletti, raggi X e gamma che si basano sui fenomeni elettromagnetici, i più diffusi e sfruttati. Eppure le onde elettromagnetiche non sono l'unico mezzo per identificare un fenomeno astronomico.
L'evento della collisione di due stelle di neutroni ha sancito la nascita dell'astrofisica multimessaggero, in quanto oltre alla rilevazione delle radiazioni elettromagnetiche generate dall'evento è stato possibile misurare la deformazione dello spazio tempo, fenomeno che avviene in concomitanza dello scontro di due oggetti estremamente massivi. Le onde gravitazionali allungano ed accorciano il tessuto spazio temporale e sono una scoperta (già teorizzata da Einstein) del 2015. Nel prossimo video dell'ASI (Agenzia Spaziale Italiana) viene spiegata che cos'è l'astrofisica multimessaggero.

Lo stesso evento di collisione è stato identificato da due diversi fenomeni fisici, per questo si parla di astrofisica multimessaggero. Anche i neutrini sono particelle che non interagiscono in alcun modo a livello elettromagnetico e quindi sono un nuovo mezzo per studiare fenomeni specifici dell'universo, insieme alle già assodate onde elettromagnetiche (raggi gamma nel nostro caso).
L'astrofisica multimessaggero inaugura una nuova era di scoperte astronomiche che sfrutta diversi "messaggeri" per studiare l'universo: onde elettromagnetiche, onde gravitazionali e neutrini. Avere più mezzi a disposizione permette ai ricercatori di sfruttare più strade per identificare un fenomeno ed aiuta a confermare lo stesso con maggiore precisione.
Si può dunque dire che è appena cominciata un'epoca d'oro per l'astrofisica.