Questo modello dell'alone di raggi gamma di Geminga mostra come l'emissione cambia a diverse energie, risultato di due effetti. Il primo è il rapido movimento della pulsar nello spazio nel decennio in cui il Large Area Telescope di Fermi l'ha osservata. Secondo, le particelle a energia inferiore viaggiano molto più lontano dalla pulsar prima di interagire con la luce delle stelle e aumentarla alle energie dei raggi gamma. Questo è il motivo per cui l'emissione di raggi gamma copre un'area più ampia a energie più basse. Un GeV rappresenta 1 miliardo di elettronvolt, miliardi di volte l'energia della luce visibile. Credito:Goddard Space Flight Center/M. Di Mauro
Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha scoperto un debole ma esteso bagliore di luce ad alta energia attorno a una pulsar vicina. Se visibile all'occhio umano, questo "alone" di raggi gamma sembrerebbe circa 40 volte più grande nel cielo di una Luna piena. Questa struttura potrebbe fornire la soluzione a un antico mistero sulla quantità di antimateria nel nostro quartiere.
"La nostra analisi suggerisce che questa stessa pulsar potrebbe essere responsabile di un enigma decennale sul motivo per cui un tipo di particella cosmica è insolitamente abbondante vicino alla Terra, " ha detto Mattia Di Mauro, un astrofisico della Catholic University of America a Washington e del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Questi sono positroni, la versione antimateria degli elettroni, proveniente da qualche parte oltre il sistema solare."
Un articolo che descrive in dettaglio i risultati è stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica D il 17 dicembre ed è disponibile online.
Una stella di neutroni è il nucleo schiacciato lasciato indietro quando una stella molto più massiccia del Sole esaurisce il carburante, collassa sotto il suo stesso peso ed esplode come una supernova. Vediamo alcune stelle di neutroni come pulsar, oggetti che ruotano rapidamente emettendo fasci di luce che, molto simile a un faro, spazzare regolarmente attraverso la nostra linea di vista.
Geminga (pronunciato geh-MING-ga), scoperto nel 1972 dal Small Astronomy Satellite 2 della NASA, è tra le pulsar più luminose nei raggi gamma. Si trova a circa 800 anni luce di distanza nella costellazione dei Gemelli. Il nome di Geminga è sia un gioco sulla frase "sorgente di raggi gamma Gemini" sia l'espressione "non c'è" - riferendosi all'incapacità degli astronomi di trovare l'oggetto ad altre energie - nel dialetto di Milano, Italia.
Geminga è stato finalmente identificato nel marzo 1991, quando i raggi X tremolanti raccolti dalla missione tedesca ROSAT hanno rivelato che la sorgente era una pulsar che ruotava 4,2 volte al secondo.
Una pulsar si circonda naturalmente di una nuvola di elettroni e positroni. Questo perché l'intenso campo magnetico della stella di neutroni attira le particelle dalla superficie della pulsar e le accelera quasi alla velocità della luce.
Elettroni e positroni sono tra le particelle veloci conosciute come raggi cosmici, che hanno origine oltre il sistema solare. Poiché le particelle dei raggi cosmici trasportano una carica elettrica, i loro percorsi si confondono quando incontrano campi magnetici durante il loro viaggio verso la Terra. Ciò significa che gli astronomi non possono rintracciarli direttamente alle loro fonti.
Per l'ultimo decennio, misurazioni dei raggi cosmici di Fermi, L'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) della NASA a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, e altri esperimenti spaziali vicino alla Terra hanno visto più positroni ad alte energie di quanto gli scienziati si aspettassero. Le pulsar vicine come Geminga erano i principali sospettati.
Quindi, nel 2017, scienziati con l'Osservatorio di raggi gamma Cherenkov sull'acqua ad alta quota (HAWC) vicino a Puebla, Messico, hanno confermato le precedenti rilevazioni a terra di un piccolo alone di raggi gamma intorno a Geminga. Hanno osservato questa struttura a energie da 5 a 40 trilioni di elettronvolt, luce con trilioni di volte più energia di quella che i nostri occhi possono vedere.
Gli scienziati pensano che questa emissione si verifichi quando gli elettroni e i positroni accelerati si scontrano con la luce delle stelle vicine. La collisione aumenta la luce fino a energie molto più elevate. In base alle dimensioni dell'alone, il team HAWC ha concluso che i positroni Geminga a queste energie raggiungono solo raramente la Terra. Se è vero, significherebbe che l'eccesso di positroni osservato deve avere una spiegazione più esotica.
Ma l'interesse per un'origine pulsar è continuato, e Geminga era davanti e al centro. Di Mauro ha condotto un'analisi di un decennio di dati sui raggi gamma Geminga acquisiti dal Large Area Telescope (LAT) di Fermi, che osserva la luce a energia inferiore rispetto a HAWC.
Le particelle che viaggiano vicino alla velocità della luce possono interagire con la luce delle stelle e aumentarla alle energie dei raggi gamma. Questa animazione mostra il processo, noto come scattering Compton inverso. Quando la luce che va dalle lunghezze d'onda delle microonde a quelle dell'ultravioletto si scontra con una particella in rapido movimento, l'interazione lo amplifica ai raggi gamma, la forma di luce più energetica. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA
"Per studiare l'aureola, abbiamo dovuto sottrarre tutte le altre sorgenti di raggi gamma, compresa la luce diffusa prodotta da collisioni di raggi cosmici con nubi di gas interstellari, " ha detto la coautrice Silvia Manconi, un ricercatore post-dottorato presso la RWTH Aachen University in Germania. "Abbiamo esplorato i dati utilizzando 10 diversi modelli di emissione interstellare".
Ciò che è rimasto quando queste fonti sono state rimosse era un vasto, bagliore oblungo che si estende per circa 20 gradi nel cielo a un'energia di 10 miliardi di elettronvolt (GeV). È simile alla dimensione del famoso schema stellare dell'Orsa Maggiore, e l'alone è ancora più grande a energie più basse.
"Le particelle a energia inferiore viaggiano molto più lontano dalla pulsar prima di imbattersi nella luce delle stelle, trasferirvi parte della loro energia, e aumentare la luce ai raggi gamma. Questo è il motivo per cui l'emissione di raggi gamma copre un'area più ampia a energie più basse, " ha spiegato la coautrice Fiorenza Donato presso l'Istituto Nazionale Italiano di Fisica Nucleare e l'Università di Torino. "Inoltre, L'alone di Geminga è allungato in parte a causa del movimento della pulsar nello spazio".
Il team ha stabilito che i dati LAT di Fermi erano compatibili con le precedenti osservazioni HAWC. Geminga da solo potrebbe essere responsabile fino al 20% dei positroni ad alta energia visti dall'esperimento AMS-02. Estrapolando questo all'emissione cumulativa di tutte le pulsar nella nostra galassia, gli scienziati dicono che è chiaro che le pulsar rimangono la migliore spiegazione per l'eccesso di positroni.
"Il nostro lavoro dimostra l'importanza di studiare le singole sorgenti per prevedere come contribuiscono ai raggi cosmici, " Di Mauro ha detto. "Questo è un aspetto del nuovo entusiasmante campo chiamato astronomia multimessaggero, dove studiamo l'universo usando più segnali, come raggi cosmici, oltre alla luce».
