Un osservatorio di montagna in Messico, costruito e gestito da un team internazionale di scienziati, ha catturato la prima visione grandangolare dei raggi gamma emanati da due stelle in rapida rotazione. L'Osservatorio di raggi gamma di High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) ha fornito una nuova prospettiva sullo streaming di luce ad alta energia da questi vicini stellari, gettando seri dubbi su una possibile spiegazione per un misterioso eccesso di particelle di antimateria vicino alla Terra.

Nel 2008, gli astronomi hanno osservato un numero inaspettatamente alto di positroni, i cugini antimateria degli elettroni, in orbita a poche centinaia di miglia al di sopra dell'atmosfera terrestre. Da allora, gli scienziati hanno discusso la causa dell'anomalia, diviso su due teorie in competizione sulla sua origine. Alcuni hanno suggerito una semplice spiegazione:le particelle extra potrebbero provenire da stelle collassate vicine chiamate pulsar, che girano più volte al secondo e rilasciano elettroni, positroni e altra materia con forza violenta. Altri hanno ipotizzato che i positroni extra potrebbero provenire da processi che coinvolgono la materia oscura, la sostanza invisibile ma pervasiva vista finora solo attraverso la sua attrazione gravitazionale.

Utilizzando i nuovi dati dell'osservatorio HAWC, i ricercatori hanno effettuato le prime misurazioni dettagliate di due pulsar precedentemente identificate come possibili fonti dell'eccesso di positroni. Catturando e contando le particelle di luce che fluiscono da questi vicini motori stellari, I ricercatori della collaborazione HAWC hanno scoperto che è improbabile che le due pulsar siano l'origine dell'eccesso di positroni. Nonostante abbia l'età giusta e la giusta distanza dalla Terra, le pulsar sono circondate da un'estesa nube oscura che impedisce alla maggior parte dei positroni di fuggire, secondo i risultati pubblicati il ​​17 novembre, Edizione 2017 della rivista Scienza .

"Questa nuova misurazione è allettante perché sfavorisce fortemente l'idea che questi positroni extra stiano arrivando sulla Terra da due pulsar vicine, almeno quando si assume un modello relativamente semplice di come i positroni si diffondono lontano da queste stelle rotanti, "ha detto Jordan Goodman, professore di fisica all'Università del Maryland e capo ricercatore e portavoce degli Stati Uniti per la collaborazione HAWC. "La nostra misurazione non decide la questione a favore della materia oscura, ma qualsiasi nuova teoria che tenti di spiegare l'eccesso usando le pulsar dovrà tenere conto di ciò che abbiamo scoperto".

Francisco Salesa Greus, l'autore principale corrispondente del nuovo articolo e uno scienziato presso l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, Polonia, ha aggiunto che "siamo più vicini alla comprensione dell'origine dell'eccesso di positroni dopo aver escluso due delle principali fonti candidate".

Un occhio al cielo

Come con una normale fotocamera, raccogliere molta luce consente ad HAWC di creare immagini nitide di singole sorgenti di raggi gamma. I raggi gamma più energetici hanno origine nei cimiteri delle grandi stelle, attorno ai resti stellari come i resti delle pulsar rotanti delle supernove. Ma quella luce non viene dalle stelle stesse. Anziché, viene creato quando la pulsar rotante accelera le particelle a energie estremamente elevate, facendoli schiantare contro i fotoni a bassa energia rimasti dall'universo primordiale.

La dimensione del campo di detriti attorno a potenti pulsar, misurata dalla porzione di cielo che brilla di raggi gamma, dice ai ricercatori quanto velocemente la materia si muove rispetto alle stelle rotanti. Ciò consente ai ricercatori di stimare la velocità con cui si muovono i positroni e quanti positroni potrebbero aver raggiunto la Terra da una determinata fonte.

Utilizzando un catalogo HAWC del cielo ad alta energia pubblicato di recente, gli scienziati hanno assolto la vicina pulsar Geminga e sua sorella, la pulsar PSR B0656+14, come fonti dell'eccesso di positroni. Anche se i due sono abbastanza vecchi e abbastanza vicini da giustificare l'eccesso, la materia non si sta allontanando dalle pulsar abbastanza velocemente da aver raggiunto la Terra.

"Le misurazioni dei raggi gamma HAWC dimostrano che ci sono positroni ad alta energia che fuoriescono da queste fonti, " disse Rubén López-Coto, uno scienziato del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, Germania e un autore corrispondente. "Ma secondo la nostra misurazione, non potrebbero contribuire in modo significativo ai positroni extra visti sulla Terra".

Questa misurazione non sarebbe stata possibile senza l'ampia visuale di HAWC. Scruta continuamente circa un terzo del cielo sopra la testa, che ha fornito ai ricercatori un'ampia visione dello spazio intorno alle pulsar. Altri osservatori che osservano i raggi gamma ad alta energia con un campo visivo molto più ristretto hanno mancato la natura estesa delle pulsar.

L'Osservatorio HAWC si trova ad un'altitudine di 13, 500 piedi, che fiancheggia il vulcano Sierra Negra all'interno del Parco Nazionale Pico de Orizaba nello stato messicano di Puebla. Consiste di oltre 300 enormi serbatoi d'acqua che aspettano cascate di particelle avviate da pacchetti di luce ad alta energia chiamati raggi gamma, molti dei quali hanno più di 10 milioni di volte l'energia di una radiografia dentale.

Quando questi raggi gamma si infrangono nell'atmosfera superiore, fanno esplodere atomi nell'aria, producendo una pioggia di particelle che si muove quasi alla velocità della luce verso il suolo. Quando questa doccia raggiunge i serbatoi di HAWC, produce lampi coordinati di luce blu nell'acqua, permettendo ai ricercatori di ricostruire l'energia e l'origine cosmica del raggio gamma che ha dato il via alla cascata.

"Grazie al suo ampio campo visivo, HAWC fornisce misurazioni uniche sui profili dei raggi gamma ad altissima energia causati dalla diffusione delle particelle intorno alle pulsar vicine, che ci consente di determinare la velocità con cui le particelle si diffondono in modo più diretto rispetto alle misurazioni precedenti, "dice Hao Zhou, uno scienziato del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico e un corrispondente autore del nuovo articolo.

È possibile che una nuova intuizione sull'astrofisica di queste pulsar e dei loro ambienti locali possa spiegare l'eccesso di positroni sulla Terra, ma richiederebbe una teoria della diffusione dei positroni più complicata di quanto i fisici nella collaborazione pensino sia probabile. D'altra parte, la materia oscura può fornire la giusta spiegazione, ma alla fine saranno necessarie più prove per decidere.