Un team di scienziati provenienti da Russia e Cina ha sviluppato un modello che spiega la natura dei raggi cosmici (CR) ad alta energia nella nostra galassia. Questi CR hanno energie superiori a quelle prodotte dalle esplosioni di supernova di uno o due ordini di grandezza. Il modello si concentra principalmente sulla recente scoperta di strutture giganti chiamate bolle di Fermi.

Uno dei problemi chiave nella teoria dell'origine dei raggi cosmici, costituiti da protoni ad alta energia e nuclei atomici, è il loro meccanismo di accelerazione. Il problema è stato affrontato da Vitaly Ginzburg e Sergei Syrovatsky negli anni '60 quando hanno suggerito che i CR sono generati durante le esplosioni di supernova (SN) nella galassia. Un meccanismo specifico di accelerazione di particelle cariche da onde d'urto SN è stato proposto da Germogen Krymsky e altri nel 1977. A causa della durata limitata degli urti, si stima che l'energia massima delle particelle accelerate non possa superare i 10 ¹⁴ -10 ¹⁵ eV.

Spiegare la natura delle particelle con energie superiori a 10 ¹⁵ eV è la chiave. Un importante passo avanti nella ricerca sui processi di accelerazione di tali particelle è arrivato quando il Fermi Gamma Ray Space Telescope ha rilevato due gigantesche strutture che emettono radiazioni nella banda dei raggi gamma nell'area centrale della galassia nel novembre 2010. Le strutture sono allungate e situate simmetricamente in il piano galattico perpendicolare al suo centro, estendendo 50, 000 anni luce, o circa la metà del diametro del disco della Via Lattea. Queste strutture divennero note come bolle di Fermi. Dopo, il team del telescopio Planck ha scoperto la loro emissione nella banda delle microonde.

La natura delle bollicine di Fermi non è ancora chiara, ma la posizione di questi oggetti indica la loro connessione con l'attività passata o presente nel centro della galassia, dove un buco nero centrale di 10 ⁶ si ritiene che siano localizzate le masse solari. I modelli moderni mettono in relazione le bolle con la formazione stellare e/o un rilascio di energia nel centro galattico a causa dell'interruzione mareale delle stelle durante il loro accrescimento su un buco nero centrale. Strutture simili possono essere rilevate in altri sistemi galattici con nuclei attivi.

Dmitry Chernyshov (laureato MIPT), Vladimir Dogiel (membro dello staff del MIPT) e i loro colleghi di Hong Kong e Taiwan hanno pubblicato una serie di articoli sulla natura delle bollicine Fermi. Hanno dimostrato che l'emissione di raggi X e gamma in queste aree è dovuta a processi che coinvolgono elettroni relativistici accelerati da onde d'urto derivanti dalla caduta di materia stellare in un buco nero. In questo caso, le onde d'urto dovrebbero accelerare sia i protoni che i nuclei. Però, a differenza degli elettroni, i protoni relativistici con masse maggiori perdono pochissima energia nell'alone galattico e possono riempire l'intero volume della galassia. Gli autori dell'articolo suggeriscono che i fronti d'urto delle bolle giganti di Fermi possono riaccelerare i protoni emessi da SN a energie notevolmente superiori a 10 ¹⁵ eV.

L'analisi della riaccelerazione dei raggi cosmici ha mostrato che le bolle di Fermi possono essere responsabili della formazione dello spettro CR sopra il "ginocchio" dello spettro osservato, cioè., ad energie maggiori di 3×10 ¹⁵ eV (campo energetico "B" in Fig. 2). Per mettere questo in prospettiva, anche l'energia delle particelle accelerate nel Large Hadron Collider è ~10 ¹⁵ eV.

"Il modello proposto spiega la distribuzione spettrale del flusso CR osservato. Si può dire che i processi che abbiamo descritto sono in grado di riaccelerare i raggi cosmici galattici generati nelle esplosioni di supernova. A differenza degli elettroni, i protoni hanno una vita significativamente maggiore, quindi quando accelerato nelle bolle di Fermi, possono riempire il volume della galassia ed essere osservati vicino alla Terra. Il nostro modello suggerisce che i raggi cosmici contenenti protoni e nuclei ad alta energia con energia inferiore a 1015 eV (al di sotto dell'intervallo di energia del "ginocchio" dello spettro osservato), sono stati generati in esplosioni di supernova nel disco galattico. Tali CR vengono riaccelerati nelle bolle di Fermi ad energie superiori a 1015 eV (sopra il "ginocchio"). La distribuzione finale dei raggi cosmici è mostrata sul diagramma spettrale, "dice Vladimir Dogiel.

I ricercatori hanno proposto una spiegazione per le peculiarità dello spettro CR nell'intervallo di energia da 3×10 ¹⁵ a 10 ¹⁸ eV (campo energetico "B" in Fig. 2). Gli scienziati hanno dimostrato che le particelle prodotte durante le esplosioni SN e che hanno energie inferiori a 3×10 ¹⁵ eV sperimenta una riaccelerazione nelle bolle di Fermi quando si spostano dal disco galattico all'alone. Parametri ragionevoli del modello che descrivono l'accelerazione delle particelle nelle bolle di Fermi possono spiegare la natura dello spettro dei raggi cosmici sopra 3×10 ¹⁵ eV. Lo spettro al di sotto di questo intervallo rimane indisturbato. Così, il modello è in grado di produrre una distribuzione spettrale dei raggi cosmici identica a quella osservata.