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Raggi cosmici: sorgenti e meccanismi di accelerazione

I raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti da ogni direzione dello spazio. Sono generalmente particelle cariche, composte da protoni, elettroni, positroni e nuclei pesanti, ma possono essere anche particelle neutre come neutroni e neutrini, anche se in minima percentuale. Sulla Terra ci arrivano quotidianamente : in media si ha una particella ogni centimetro quadrato ogni secondo. La loro composizione varia a seconda della sorgente da cui provengono, dalle interazioni con il mezzo interstellare e con l’atmosfera terrestre: i raggi cosmici composti da elementi come ferro e carbonio sono detti primari, perchè provengono direttamente dalla sorgente, gli altri, composti prevalentemente da boro, potassio e titanio, sono dovute all’interazione dei raggi cosmici primari con il mezzo interstellare e sono detti secondari . Le particelle cosmiche che si vedono arrivare sulla Terra sono frutto dell’interazione dei raggi cosmici provenienti dallo spazio con l’atmosfera terrestre e questa interazione genera nuove particelle.. I raggi cosmici (RC) furono scoperti nei primi anni del ‘900 grazie al contributo di Pacini ed Hesse, i quali li studiarono in maniera indipendente (tali studi valsero il premio Nobel ad Hesse nel 1936, grazie anche all’utilizzo di palloni areostatici mandati nell’alta atmosfera). Risulta molto difficile, a causa della vastità di elementi che li compongono, stabilire da dove provengano. Una causa di questa difficoltà è la presenza in tutto lo spazio di numerosi campi magnetici, che influenzando il moto delle particelle cariche dei RC, ne deviano la traiettoria e quindi aumentano la difficoltà nel trovarne la loro sorgente.

 

Nella figura viene riportato il grafico che rappresenta lo spettro energetico, cioè il numero di particelle incidenti per unità di energia, di tempo, area e di angolo solido, dei raggi cosmici primari che è ben descritto da una legge di potenza nella forma:

Φ α E^- α

dove α è detto indice spettrale che può assumere i seguenti valori:

  •  α = 2,7  se E < 3  x 10^15 eV
  •  α = 3,0  se  3 x 10^15 eV < E < 10^18 eV
  •  α = 2,7  se E > 10^18 eV

con α = 2,7 per valori dell’energia inferiori a 10^15 eV; per valori superiori di energia si ha un irripidimento, con α che diviene pari a 3. Il punto in cui tale cambio di pendenza ha luogo viene denominato ‘ginocchio’. Per energie ancora più alte, circa 10^18 – 10^19 eV, lo spettro dei raggi cosmici torna ad essere meno ripido ( α = 2.7 ), dando luogo ad un ulteriore cambio di pendenza che viene chiamato ‘caviglia’. Tutte le particelle che hanno un energia compresa tra il ginocchio e la caviglia nel grafico dello spettro energetico dei RC, hanno origine galattica ; dopo la caviglia si ha un’origine intergalattica e prima del ginocchio si hanno particelle che provengono dal Sistema Solare.

Si è visto come i raggi cosmici riescano a raggiungere energie molto elevate, fino all’ordine di circa  E= 10^19 eV.  Per arrivare a tali energie le particelle devono essere accelerate più volte. Poichè il campo magnetico galattico non è sufficiente a fornire accelerazioni per raggiungere tali energie, è necessaria la presenza di un altro contributo:

  • MECCANISMO DI FERMI DEL SECONDO ORDINE – La nostra galassia è composta da numerose nubi di plasma. Quando le particelle si trovano all’interno di queste nubi vengono accelerate e, se le nubi sono in movimento, acquistano energia. Nella fase di accelerazione subiscono degli urti elastici, dove in ogni urto viene acquistata una frazione di energia proporzionale a quella iniziale. Solitamente nubi di plasma hanno un valore il cui guadagno di energia delle particelle è molto basso. Infatti questo modello non va bene per particelle con energie molto elevate. Andrebbero considerate anzichè nubi di plasma, regioni galattiche vicine ai resti di supernova.
  • MECCANISMO DI FERMI DEL PRIMO ORDINE – Nel meccanismo di Fermi del primo ordine si suppone che le particelle vengano accelerate da un’onda d’urto, causata ad esempio dall’esplosione di una supernova la cui velocità di propagazione è molto maggiore della velocità del suono nel vuoto. Un’onda d’urto è infatti una regione di transizione in cui si trova una variazione di velocità del fluido. Rispetto al meccanismo di Fermi del secondo ordine, il guadagno di energia risulta più elevato e i valori teorici si avvicinano molto a quelli riscontrati sperimentalmente. In questo meccanismo però subentrano problemi connessi con la durata del processo: infatti la durata di tali meccanismi per avere le energie osservate è dell’ordine di 10^5 anni e le sorgenti che causano le onde d’urto, tipo i resti di supernova, non rispecchiano le scale temporali. Da qui si può dedurre un limite massimo per l’energia pari a 10^13 eV su nucleone. Per avere le energie più alte devono esistere necessariamente altre sorgenti .
  • IPOTESI DI MECCANISMO PER ALTE ENERGIE – Ci sono varie ipotesi che riguardano i meccanismi di accelerazione di particelle a energie molto alte; al momento solo due di queste sembrano avvicinarsi di più alla realtà : bottom-up e top-down. Il modello bottom-up si basa sul fatto che l’origine dei raggi cosmici ad alte energie sia nei cosiddetti acceleratori cosmici : tali acceleratori sono i nuclei galattici attivi e i gamma ray burst. Infatti questi corpi celesti sono circondati da particelle come i protoni che vengono colpiti dai raggi cosmici e accelerati. Ciò accade quando una stella esplode: l’onda d’urto accelera le particelle le quali passano attraverso campi magnetici con intensità elevata e interagiscono con la materia circostante, producendo fotoni e neutrini ad altissima energia. Il modello top-down si basa invece sul decadimento di particelle con masse enormi, maggiori di 10^11 Gev. L’ipotesi è che questa particella pesante decada in leptoni e quarks. Questi ultimi decadendo ancora produrrebbero i raggi cosmici, come ad esempio, neutrini, antineutrini. Quali siano queste particelle pesanti ancora non si sa : alcune ipotesi suggeriscono che queste particelle possano essere prodotte da difetti topologici, ossia risultati della rottura di simmetria nelle fasi iniziali di formazione dell’universo. Questi oggetti sono ad esempio monopoli magnetici o stringhe cosmiche. Un’altra ipotesi sull’origine di queste particelle si basa sul fatto che possano provenire dalla materia oscura fredda (WIMP).

Ora prendiamo in considerazione le possibili sorgenti di RC. Una sorgente accelera una particella cosmica in base alle sue dimensioni e al campo magnetico da esso generato. Queste due grandezze sono inversamente proporzionali, corpi molto grandi hanno campi magnetici deboli, mentre corpi più compatti, come le stelle di neutroni ad esempio, hanno campi magnetici di notevoli dimensioni. Detto questo le possibili sorgenti di raggi cosmici sono:

  • RESTI DI SUPERNOVA – Una supernova si forma dalla morte di una stella, se quest’ultima ha una massa pari o superiore a 1, 4 masse solari. Quando il combustibile interno della stella finisce, l’instabilità che si crea causa un’enorme esplosione. Queste esplosioni rappresentano un’importante sorgente di neutrini, prodotti dal collasso di nuclei di ferro. La stella subisce quindi un processo di neutronizzazione. Il collasso si arresta nel momento in cui si crea un’onda d’urto, causata anche dalla pressione esercitata verso l’esterno dai neutrini emessi, che accelera le particelle che l’attraversano. L’accelerazione di queste particelle può essere ben descritta con il meccanismo del primo ordine di Fermi. Le particelle formate dai resti di supernova possono arrivare ad energie dell’ ordine di 10^15 eV.
  • NUCLEI GALATTICI ATTIVI (AGN) – Sono tra le più potenti sorgenti dell’universo, arrivando a produrre RC ad energie dell’ordine di 10^45 erg/s . Dato che l’energia prodotta da queste sorgenti è ancora così alta, si devono considerare meccanismi diversi da quelli noti fino ora. I nuclei galattici attivi emettono lungo tutto lo spettro elettromagnetico ; si ipotizza che per produrre particelle con energie così alte ci sia un buco nero al centro del corpo nel quale la materia che forma il disco di accrescimento si riscaldi ed emetta energia termica. Alcuni tipi di nuclei galattici attivi a noi noti sono : quasars , radiogalassie o blazars. I raggi cosmici formati all’interno di questi corpi interagiscono con la materia circostante formando pioni che decadono in fotoni e neutrini.
  • GAMMA RAY BURTS – Sono le sorgenti più energetiche dell’universo oggi conosciute ; infatti l’energia emessa in un gamma ray burst è dell’ordine di 10^54 erg/s. Ci sono vari  modelli che provano a descrivere la fisica dei GRB, ma ancora non è stata trovata una teoria che li descriva in maniera completa. Un modello usato per descriverli è il modello fireball. Tale modello prevede che dopo l’emissione di raggi gamma ci siano emissioni nelle altre lunghezze d’onda (dette afterglow), le quali a contatto con i gas vicini producono fotoni e particelle che costituiranno poi le particelle cosmiche.

 

Questi raggi cosmici ad altissima energia sono ancora un mistero oscuro per l’astrofisica. Essi sono stati classificati in due tipologie:

  • ULTRA HIGH-ENERGY COSMIC RAY (UHECR) – Raggi cosmici ad ultra-alta energia sono particelle di  raggi cosmici con energia cinetica maggiore di 10^18 eV, ben oltre la massa a riposo e le energie tipiche di altre particelle di RC
  • EXTREME-ENERGY COSMIC RAY (EECR) – Un raggio cosmico ad estrema energia, è un UHECR con energia superiore a 5 × 10^19  eV (circa 8 joule ), il cosiddetto effetto GZK (limite GZK). Questo limite dovrebbe essere la massima energia delle particelle dei raggi cosmici che hanno viaggiato per lunghe distanze (circa 160 milioni di anni luce), dal momento che le particelle dei raggi di energia più alta avrebbero perso energia su quella distanza a causa di scattering da fotoni nella radiazione cosmica di fondo . Ne consegue che EECR  sono cosmologicamente “giovani”, emessi da qualche parte nel  superammasso locale da qualche processo fisico sconosciuto.

Queste particelle sono estremamente rare; tra il 2004 e il 2007, al Pierre Auger Observatory in Argentina hanno rivelato 27 eventi con energie in arrivo stimate al di sopra di 5,7 × 10^19  eV [1] . Ci sono prove che questi raggi cosmici di più alta energia potrebbero essere nuclei di ferro , piuttosto che i protoni che compongono la maggioranza dei raggi cosmici.

Le ipotetiche postulate sorgenti di EECR sono note come Zevatrons , denominate in analogia col Bevatron del Lawrence Berkeley National Laboratory e il Tevatron del Fermilab, e quindi in grado di accelerare particelle a 1 ZeV (10^21 eV, zetta-elettronvolt). Nel 2004 si è presa in considerazione la possibilità  che getti galattici agiscano come Zevatrons, a causa dell’accelerazione diffusiva di particelle causate da onde d’urto all’interno dei getti. In particolare, i modelli hanno suggerito che le onde d’urto da jets della vicina M 87 avrebbero potuto accelerare un nucleo di ferro alle gamme di ZeV [2] . Nel 2007, Pierre Auger Observatory ha associato EECR con buchi neri supermassicci extragalattici al centro dei nuclei galattici attivi [3] .   Energie estremamente alte potrebbero essere spiegate anche dal meccanismo centrifugo di accelerazione [4] nelle magnetosfere di AGN (accelerazione centrifuga di astroparticelle a energie relativistiche potrebbe avvenire in oggetti astrofisici in rotazione – accelerazione di FERMI . Si ipotizza  che AGN e Pulsar abbiano magnetosfere rotanti, quindi, potenzialmente, potrebbero guidare le particelle cariche alle alte e ultra elevate energie).  Un suggerimento più speculativo da Grib e Pavlov (2007, 2008) prevede il decadimento della superpesante materia oscura  attraverso il processo di Penrose ( il meccanismo Penrose  è un processo teorizzato da Roger Pensrose in cui  l’energia può essere estratta da un buco nero rotante – buco nero di Kerr [5] [6]. Tale estrazione è possibile perché l’energia di rotazione del buco nero si trova non all’interno dell’orizzonte degli eventi del buco nero, ma all’esterno di esso in una regione dello spazio tempo di Kerr -chiamata ergosfera – una regione in cui una particella è necessariamente spinta in concomitanza con lo spazio-tempo rotante. Tutti gli oggetti nell’ ergosfera diventano trascinati da uno spazio-tempo rotante. La quantità massima di guadagno di energia possibile per una singola particella attraverso questo processo è del 20,7%. Il processo obbedisce alle leggi della meccanica dei buchi neri. Una conseguenza di queste leggi è che, se il processo viene eseguito più volte, il buco nero può finalmente perdere tutto il suo momento angolare, diventando non rotante, vale a dire un buco nero di Schwarzschild. In questo caso l’energia massima teorica che può essere estratta da un buco nero è del 29% della sua massa originaria.  Più grandi efficienze sono possibili per un buco nero rotante carico elettricamente).

[1] [A Bayesian analysis of the 27 highest energy cosmic rays detected by the Pierre Auger Observatory – Watson et al. 2011]

[2] [Filamentary jets as a cosmic-ray “Zevatron” – Honda et al. 2004]

[3] [Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects – Pierre Auger Collaboration, 2007]

[4] [Extremely efficient Zevatron in rotating AGN magnetospheres – Osmanov et al. 2014]

[5] [Extraction of Rotational Energy from a Black Hole – Penrose, 1971]

[6] Misner, Thorne, and Wheeler, Gravitation, Freeman and Company, 1973.

 

Fonti:

Studio dei meccanismi di accelerazione dei raggi cosmici di alta energia – M. Settimo Tesi di Laurea Università degli Studi di Lecce – 2004

Ricerca di strangelets nei raggi cosmici rivelati dall’esperimento spaziale AMS-01 – D. Baldassarri Tesi di Laurea Università degli Studi di Bologna, 2004

I Raggi Cosmici di Alta Energia – G.Battistoni INFN Sezione di Milano

Stefania di Luca che ha curato questo articolo è owner del gruppo “Astrofisica, cosmologia e…” su facebook

 

 

                                  

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