Per decenni, i ricercatori hanno ipotizzato che i raggi cosmici che regolarmente bombardano la Terra dai confini più remoti della galassia nascano quando le stelle diventano supernovae, quando diventano troppo massicce per supportare la fusione che si verifica nei loro nuclei ed esplodono.

Quelle gigantesche esplosioni spingono effettivamente le particelle atomiche a grandi distanze alla velocità della luce. Però, una nuova ricerca suggerisce che anche le supernove, in grado di divorare interi sistemi solari, non sono abbastanza forti da infondere alle particelle le energie sostenute necessarie per raggiungere i petaelettronvolt (PeV), la quantità di energia cinetica raggiunta dai raggi cosmici ad altissima energia.

Eppure sono stati osservati raggi cosmici che colpiscono l'atmosfera terrestre esattamente a quelle velocità, il loro passaggio segnato, Per esempio, dai serbatoi di rilevamento presso l'osservatorio High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) vicino a Puebla, Messico. Al posto delle supernove, i ricercatori ipotizzano che ammassi stellari come il Cygnus Cocoon fungono da PeVatron, acceleratori PeV, in grado di spostare particelle attraverso la galassia a tassi di energia così elevati.

La loro ricerca sul cambiamento di paradigma fornisce prove convincenti che le regioni di formazione stellare siano PeVatron ed è pubblicata in due articoli recenti in Astronomia della natura e Lettere per riviste astrofisiche .

Una caratteristica della ricerca in fisica è quanto sia collaborativa. La ricerca è stata condotta da Petra Huentemeyer, professore di fisica alla Michigan Technological University, insieme alla neolaureata Binita Hona '20, dottorando Dezhi Huang, l'ex postdoc MTU Henrike Fleischhack (ora alla Catholic University/NASA GSFC/CRESST II), Sabrina Casanova presso l'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze di Cracovia, Ke Fang all'Università del Wisconsin e Roger Blanford a Stanford, insieme a numerosi altri collaboratori dell'Osservatorio HAWC.

Huentemeyer ha notato che HAWC e fisici di altre istituzioni hanno misurato i raggi cosmici da tutte le direzioni e attraverso molti decenni di energia. È nel tracciare i raggi cosmici con la più alta energia conosciuta, PeV, che la loro origine diventa così importante.

"Si ritiene che i raggi cosmici al di sotto dell'energia PeV provengano dalla nostra galassia, ma la domanda è quali sono gli acceleratori che possono produrli, "Ha detto Huentemeyer.

Fleischhack ha affermato che il cambiamento di paradigma che i ricercatori hanno scoperto è che prima, gli scienziati pensavano che i resti di supernova fossero i principali acceleratori dei raggi cosmici.

"Accelerano i raggi cosmici, ma non sono in grado di raggiungere le energie più alte, " lei disse.

Così, cosa sta guidando l'accelerazione dei raggi cosmici verso l'energia PeV?

"Ci sono stati molti altri indizi che gli ammassi stellari potrebbero far parte della storia, " Fleischhack ha detto. "Ora stiamo ricevendo conferma che sono in grado di raggiungere le energie più alte".

Gli ammassi stellari sono formati dai resti di un evento di supernova. Conosciuto come culle stellari, contengono venti violenti e nuvole di detriti vorticosi, come quelli osservati dai ricercatori in Cygnus OB2 e cluster [BDS2003]8. Dentro, diversi tipi di stelle massicce conosciute come stelle spettrali di tipo O e di tipo B sono raccolte a centinaia in un'area di circa 30 parsec (108 anni luce) di diametro.

"Le stelle spettrali di tipo O sono le più massicce, " Ha detto Hona. "Quando i loro venti interagiscono tra loro, si formano onde d'urto, che è dove avviene l'accelerazione."

I modelli teorici dei ricercatori suggeriscono che i fotoni di raggi gamma energetici visti da HAWC sono più probabilmente prodotti da protoni che da elettroni.

"Utilizzeremo i telescopi della NASA per cercare l'emissione di controparte di queste particelle relativistiche a energie più basse, " ha detto Fang.

L'energia estremamente elevata alla quale i raggi cosmici raggiungono il nostro pianeta è notevole. Sono necessarie condizioni specifiche per accelerare le particelle a tali velocità.

Maggiore è l'energia, tanto più difficile è confinare le particelle:conoscenze raccolte dagli acceleratori di particelle qui sulla Terra a Chicago e in Svizzera. Per impedire alle particelle di sfrecciare via, il magnetismo è richiesto.

Gli ammassi stellari, con la loro miscela di vento e stelle nascenti ma potenti, sono regioni turbolente con diversi campi magnetici che possono fornire il confinamento necessario affinché le particelle continuino ad accelerare.

"I resti di supernova hanno shock molto veloci in cui il raggio cosmico può essere accelerato; tuttavia, non hanno il tipo di regioni di confinamento lungo, " Disse Casanova. "A questo servono gli ammassi stellari. Sono un'associazione di stelle che possono creare disturbi che confinano i raggi cosmici e consentono agli shock di accelerarli".

Ma come è possibile misurare le interazioni atomiche su scala galattica 5, 000 anni luce dalla Terra? I ricercatori hanno utilizzato 1, 343 giorni di misurazioni dalle vasche di rilevamento HAWC.

Huang ha spiegato come i fisici di HAWC tracciano i raggi cosmici misurando i raggi gamma che questi raggi cosmici producono nei siti di accelerazione galattica:"Non abbiamo misurato direttamente i raggi gamma; abbiamo misurato i raggi secondari generati. Quando i raggi gamma interagiscono con l'atmosfera, generano particelle secondarie in piogge di particelle."

"Quando vengono rilevate piogge di particelle all'HAWC, possiamo misurare la pioggia e la carica delle particelle secondarie, "Ha detto Huang. "Usiamo le informazioni sulla carica delle particelle e sul tempo per ricostruire le informazioni dalla gamma primaria".

Oltre a HAWC, i ricercatori hanno in programma di lavorare con il Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), un osservatorio attualmente in fase di progettazione che ospiterà rilevatori di luce Cherenkov come HAWC ma sarà situato nell'emisfero australe.

"Sarebbe interessante vedere cosa possiamo vedere nell'emisfero australe, "Ha detto Huentemeyer. "Avremo una buona visuale del centro galattico che non abbiamo nell'emisfero settentrionale. SWGO potrebbe darci molti più candidati in termini di ammassi stellari".

Le future collaborazioni tra gli emisferi promettono di aiutare gli scienziati di tutto il mondo a continuare a esplorare le origini dei raggi cosmici e a saperne di più sulla galassia stessa.