Dopo oltre un decennio di meticolosa raccolta di dati, i ricercatori dell’osservatorio H.E.S.S. — acronimo di “High Energy Stereoscopic System” situato in Namibia — hanno fatto una scoperta rivoluzionaria. Sono riusciti a rilevare gli elettroni cosmici più energici mai osservati, aprendo nuove strade nella nostra comprensione dell’universo. “I raggi cosmici rappresentano un mistero secolare,” ha dichiarato un ricercatore del Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica francese e vice direttore della collaborazione H.E.S.S. I raggi cosmici, inizialmente segnalati nel 1912 dal fisico austriaco Victor Hess, sono stati scoperti dopo una serie di ascensioni con palloni che miravano a esplorare la radiazione ionizzante rilevata su un elettroscopio. Tuttavia, raggiungendo un’altitudine di 5.300 metri, Hess ha svelato una sorgente naturale di particelle ad alta energia provenienti dallo spazio. Oggi, definiamo queste particelle raggi cosmici.

Attualmente, i ricercatori dell’H.E.S.S. sono entusiasti perché hanno rilevato gli elettroni e i positroni con l’energia più elevata fino ad oggi (un positrone è simile all'”opposto” di un elettrone, poiché ha la massa di un elettrone, ma è carico positivamente come un protone), che costituiscono una componente dei raggi cosmici ad alta energia. Il ritrovamento è emozionante perché fornisce prove tangibili di processi cosmici estremi che rilasciano colossali quantità di energia. “Comprendere questi raggi cosmici consente di svelare grandi acceleratori di particelle nell’universo, spesso associati ai fenomeni più violenti: l’esplosione delle stelle; oggetti molto compatti con enormi campi gravitazionali ed elettromagnetici, come stelle di neutroni e pulsar; fusioni catastrofiche; e buchi neri,” ha commentato il ricercatore.

La cosa interessante è che poiché gli elettroni a questa energia perdono rapidamente energia, il team crede che debbano provenire da zone relativamente vicine. “Nelle vicinanze del nostro sistema solare, ci sono acceleratori cosmici di elettroni molto efficienti,” ha affermato. “A poche centinaia di anni luce, ci sono molte stelle, con quelle più vicine che di solito si trovano a due anni luce dalla Terra. Ci aspetteremmo quindi di avere anche alcune ‘stelle morte’ in questa regione, come pulsar o resti di supernova, che potrebbero essere le fonti di questi elettroni.”

Quando si parla di novità spaziali, arrivano gli aggiornamenti su lanci di razzi, eventi di osservazione del cielo e molto altro! Rilevare questi elettroni ad alta energia e positroni con energie superiori a diversi teraelettronvolt — più elevate di qualsiasi acceleratore di particelle sulla Terra — è stato particolarmente difficile per vari motivi. In primo luogo, i campi magnetici galattici causano deviazioni degli elettroni da un percorso rettilineo, facendoli arrivare sulla Terra da direzioni apparentemente casuali. In secondo luogo, gli strumenti spaziali sono troppo piccoli per catturare una sufficiente quantità di queste particelle, in parte a causa della distribuzione irregolare dell’energia delle particelle nello spazio. In altre parole, le sorgenti di raggi cosmici accelerano le particelle gradualmente, con le particelle ad alta energia che hanno maggiori probabilità di sfuggire ai propri sistemi. Poiché il raggiungimento delle energie più elevate richiede tempo, questo porta a un’abbondanza di particelle a bassa energia e progressivamente a un minor numero di particelle a più alte energie. “A energie elevate, il flusso di raggi cosmici diminuisce rapidamente, il che significa che gli strumenti spaziali raccolgono troppo pochi di essi,” ha spiegato il ricercatore.

D’altra parte, i telescopi a terra che rilevano i raggi cosmici indirettamente hanno difficoltà a differenziare gli elettroni dai raggi cosmici da innumerevoli altri tipi di raggi cosmici che bombardano l’atmosfera terrestre. “L’H.E.S.S., al contrario, ha una vasta area efficace, rendendolo particolarmente adatto per studiare la parte ad alta energia dello spettro degli elettroni,” ha detto il ricercatore. L’osservatorio H.E.S.S., composto da cinque grandi telescopi distribuiti su un’area delle dimensioni di un campo da calcio, è stato progettato per catturare rovesci atmosferici che emettono radiazione Cherenkov. Questa radiazione si verifica quando particelle ad alta energia collidono con l’atmosfera terrestre, creando temporali di particelle che i telescopi possono rilevare e analizzare.

Un’interpretazione artistica di una pulsar con il suo poderoso campo magnetico che ruota attorno. Le nuvole di particelle cariche che si muovono lungo le linee di campo emettono raggi gamma che vengono focalizzati dai campi magnetici, simile ai fasci di luce di un faro. In questi campi magnetici, vengono creati e accelerati coppie di positroni ed elettroni, rendendo le pulsar potenziali fonti di elettroni e positroni cosmici ad alta energia. (Crediti immagine: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Sebbene il suo scopo principale sia rilevare raggi gamma e trovare le loro sorgenti, il team ha riutilizzato i dati per cercare questi elettroni cosmici ad alta energia. “L’algoritmo utilizzato qui si basa su un confronto pixel per pixel, utilizzando una modellazione statistica sofisticata — in particolare, un’analisi di verosimiglianza — tra un modello pre-calcolato e le immagini registrate dalla camera,” ha detto il ricercatore. Originariamente, l’algoritmo era adattato per rilevare elettroni, che sono leggermente diversi dai raggi gamma. Dovevano anche essere in grado di differenziare gli elettroni dai segnali di fondo. E, poiché gli elettroni sono rari nei dati, l’algoritmo ha dovuto essere regolato per rifiutare altre particelle di raggi cosmici applicando criteri più severi, ma questo ha comportato anche una minore rilevazione degli elettroni. Per migliorare la precisione, “ogni osservazione telescopica è stata accuratamente simulata, fornendo una comprensione più profonda del comportamento degli strumenti,” ha detto il ricercatore.

Ciò ha portato a un insieme senza precedenti di dati statistici per analizzare gli elettroni cosmici. Il team ha confermato che lo spettro di energia degli elettroni si estende a almeno 40 TeV, il che è 400 volte superiore alle capacità di rilevamento di energia degli acceleratori basati sulla Terra. Una brusca “rottura” nello spettro intorno a 1 TeV indica che gli elettroni a questa energia perdono rapidamente energia all’interno della Via Lattea, suggerendo, come affermato, che provengono da sorgenti relativamente vicine. “La nettezza di questa rottura implica che solo alcune, o forse una sola, sorgente cosmica sia responsabile di questi elettroni,” ha aggiunto. “Se più sorgenti fossero coinvolte, lo spettro sarebbe più liscio, con rotture che si verificano a diversi livelli di energia. I migliori candidati sono supernovae relativamente vecchie, o forti venti stellari provenienti da stelle WR [i nuclei nudi di stelle inizialmente massicce il cui involucro originario ricco di idrogeno è stato rimosso dai venti stellari], ma ci sono altre possibilità che non possiamo escludere.” Il team afferma che la sua analisi fornisce non solo dati cruciali, ma anche dati che fungeranno da riferimento per studi futuri.