Rintracciando una particella spettrale a una stella frantumata, gli scienziati hanno scoperto un gigantesco acceleratore di particelle cosmiche. La particella subatomica, chiamato neutrino, è stata scagliata verso la Terra dopo che la stella condannata si è avvicinata troppo al buco nero supermassiccio al centro della sua galassia natale ed è stata fatta a pezzi dalla colossale gravità del buco nero. È la prima particella che può essere fatta risalire a un tale "evento di interruzione delle maree" (TDE) e fornisce la prova che queste catastrofi cosmiche poco conosciute possono essere potenti acceleratori di particelle naturali, come riporta sulla rivista il team guidato dallo scienziato DESY Robert Stein Astronomia della natura. Le osservazioni dimostrano anche il potere di esplorare il cosmo attraverso una combinazione di diversi "messaggeri" come fotoni (le particelle di luce) e neutrini, noto anche come astronomia multi-messaggero.

Il neutrino iniziò il suo viaggio circa 700 milioni di anni fa, nel periodo in cui si svilupparono i primi animali sulla Terra. Questo è il tempo di viaggio necessario alla particella per arrivare da lontano, galassia senza nome (catalogata come 2MASX J20570298+1412165) nella costellazione del Delfino (il delfino) sulla Terra. Gli scienziati stimano che l'enorme buco nero sia massiccio quanto 30 milioni di soli. "La forza di gravità diventa sempre più forte, più ti avvicini a qualcosa. Ciò significa che la gravità del buco nero attira il lato vicino della stella più fortemente del lato lontano della stella, portando ad un effetto di allungamento, " spiega Stein. "Questa differenza è chiamata forza di marea, e mentre la stella si avvicina, questo allungamento diventa più estremo. Alla fine fa a pezzi la stella, e quindi lo chiamiamo un evento di interruzione delle maree. È lo stesso processo che porta alle maree oceaniche sulla Terra, ma fortunatamente per noi la luna non tira abbastanza forte da distruggere la Terra".

Circa la metà dei detriti della stella è stata lanciata nello spazio, mentre l'altra metà si è posata su un disco vorticoso attorno al buco nero. Questo disco di accrescimento è in qualche modo simile al vortice d'acqua sopra lo scarico di una vasca da bagno. Prima di sprofondare nell'oblio, la materia del disco di accrescimento diventa sempre più calda e risplende brillantemente. Questo bagliore è stato rilevato per la prima volta dallo Zwicky Transient Facility (ZTF) sul Monte Palomar in California il 9 aprile 2019.

Mezzo anno dopo, il 1 ottobre 2019 il rivelatore di neutrini IceCube al Polo Sud ha registrato un neutrino estremamente energetico dalla direzione dell'evento di perturbazione mareale. "Si è schiantato contro il ghiaccio antartico con una notevole energia di oltre 100 teraelettronvolt, " afferma la coautrice Anna Franckowiak di DESY, che ora è professore all'Università di Bochum. "Per confronto, è almeno dieci volte l'energia massima delle particelle che può essere raggiunta nell'acceleratore di particelle più potente del mondo, il Large Hadron Collider presso il laboratorio europeo di fisica delle particelle del CERN vicino a Ginevra."

Estrema leggerezza

I neutrini estremamente leggeri difficilmente interagiscono con nulla, in grado di passare inosservato non solo attraverso i muri ma interi pianeti o stelle, e sono quindi spesso indicati come particelle fantasma. Così, anche catturare un solo neutrino ad alta energia è già un'osservazione notevole. L'analisi ha mostrato che questo particolare neutrino aveva solo una possibilità su 500 di essere puramente casuale con il TDE. Il rilevamento ha richiesto ulteriori osservazioni dell'evento con molti strumenti in tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi X.

"Questo è il primo neutrino legato a un evento di perturbazione delle maree, e ci porta prove preziose, " spiega Stein. "Gli eventi di interruzione delle maree non sono ben compresi. La rivelazione del neutrino indica l'esistenza di una centrale, potente motore vicino al disco di accrescimento, vomitare particelle veloci. E l'analisi combinata dei dati dalla radio, i telescopi ottici e ultravioletti ci forniscono ulteriori prove del fatto che il TDE agisce come un gigantesco acceleratore di particelle".

Le osservazioni sono meglio spiegate da un flusso energetico di getti veloci di materia che fuoriescono dal sistema, che vengono prodotte dal motore centrale e che durano centinaia di giorni. Questo è anche ciò che serve per spiegare i dati osservativi, nel ruolo di Walter Winter, capo del gruppo di fisica teorica delle astroparticelle al DESY, e la sua collega teorica Cecilia Lunardini dell'Arizona State University, hanno mostrato in un modello teorico pubblicato nello stesso numero di Astronomia della natura. "Il neutrino è emerso relativamente tardi, sei mesi dopo l'inizio della festa delle stelle. Il nostro modello spiega questo tempismo in modo naturale, "dice Inverno.

L'acceleratore cosmico emette diversi tipi di particelle, ma a parte neutrini e fotoni, queste particelle sono caricate elettricamente e quindi deviate dai campi magnetici intergalattici durante il loro viaggio. Solo i neutrini elettricamente neutri possono viaggiare in linea retta come la luce dalla sorgente verso la Terra e diventare così preziosi messaggeri di tali sistemi.

"Le osservazioni combinate dimostrano il potere dell'astronomia multi-messaggero, " afferma il co-autore Marek Kowalski, capo dell'astronomia dei neutrini al DESY e professore alla Humboldt University di Berlino. "Senza il rilevamento dell'evento di interruzione della marea, il neutrino sarebbe solo uno dei tanti. E senza il neutrino, l'osservazione dell'evento di perturbazione della marea sarebbe solo uno dei tanti. Solo attraverso la combinazione potremmo trovare l'acceleratore e imparare qualcosa di nuovo sui processi interni." L'associazione tra il neutrino ad alta energia e l'evento di perturbazione mareale è stata trovata da un sofisticato pacchetto software chiamato AMPEL, sviluppato specificamente presso DESY per cercare correlazioni tra i neutrini IceCube e gli oggetti astrofisici rilevati dalla Zwicky Transient Facility.

Punta dell'iceberg?

Lo Zwicky Transient Facility è stato progettato per catturare centinaia di migliaia di stelle e galassie in un unico scatto e può rilevare il cielo notturno in modo particolarmente veloce. Il suo cuore è il telescopio Samuel-Oschin di 1,3 m di diametro. Grazie al suo ampio campo visivo, ZTF può scansionare l'intero cielo per tre notti, trovare oggetti più variabili e transitori rispetto a qualsiasi altro rilevamento ottico prima di esso. "Dal nostro inizio nel 2018 abbiamo rilevato finora oltre 30 eventi di interruzione delle maree, più che raddoppiare il numero noto di tali oggetti, " dice Sjoert van Velzen dell'Osservatorio di Leida, coautore dello studio. "Quando ci siamo resi conto che il secondo TDE più brillante da noi osservato era la sorgente di un neutrino ad alta energia registrato da IceCube, siamo rimasti entusiasti".

"Potremmo vedere solo la punta dell'iceberg qui. In futuro, ci aspettiamo di trovare molte più associazioni tra i neutrini ad alta energia e le loro sorgenti, "dice Francis Halzen, Professore all'Università del Wisconsin-Madison e Principal Investigator di IceCube, che non era direttamente coinvolto nello studio. "C'è una nuova generazione di telescopi in costruzione che fornirà una maggiore sensibilità ai TDE e ad altre potenziali sorgenti di neutrini. Ancora più essenziale è l'estensione pianificata del rivelatore di neutrini IceCube, che aumenterebbe di almeno dieci volte il numero di rilevazioni di neutrini cosmici." Questo TDE segna solo la seconda volta, un neutrino cosmico ad alta energia potrebbe essere ricondotto alla sua fonte. Nel 2018, una campagna multi-messaggero ha presentato una galassia attiva, il blazar TXS 0506+056, come la prima fonte mai identificata di un neutrino ad alta energia, registrato da IceCube nel 2017.