Un team scientifico in Antartide si sta preparando a sollevare uno strumento a bordo di un pallone per raccogliere informazioni sui raggi cosmici, particelle ad alta energia provenienti da oltre il sistema solare che entrano nell'atmosfera terrestre in ogni momento di ogni giorno. Lo strumento, chiamato Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER), è progettato per studiare nuclei pesanti rari, che contengono indizi su dove e come i raggi cosmici raggiungono velocità fino a quasi la velocità della luce.

Il lancio è previsto per il 10 dicembre tempo permettendo.

"Il volo precedente di SuperTIGER è durato 55 giorni, stabilendo un record per il volo più lungo di qualsiasi pallone scientifico pesante, " ha detto Robert Binns, il ricercatore principale alla Washington University di St. Louis, che guida la missione. "Il tempo in alto si è tradotto in una lunga esposizione, il che è importante perché le particelle che cerchiamo costituiscono solo una piccola frazione dei raggi cosmici".

Le particelle dei raggi cosmici più comuni sono i protoni o i nuclei di idrogeno, che rappresentano circa il 90 percento, seguito da nuclei di elio (8 percento) ed elettroni (1 percento). Il resto contiene i nuclei di altri elementi, con un numero decrescente di nuclei pesanti all'aumentare della loro massa. Con SuperTIGER, i ricercatori stanno cercando il più raro dei rari, i cosiddetti nuclei di raggi cosmici ultra pesanti oltre il ferro, dal cobalto al bario.

"Elementi pesanti, come l'oro nei tuoi gioielli, sono prodotti attraverso processi speciali in stelle, e SuperTIGER mira ad aiutarci a capire come e dove ciò accade, " ha detto il co-investigatore capo John Mitchell al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Siamo tutti polvere di stelle, ma capire dove e come viene prodotta questa polvere di stelle ci aiuta a capire meglio la nostra galassia e il nostro posto in essa".

Quando un raggio cosmico colpisce il nucleo di una molecola di gas atmosferico, entrambi esplodono in una pioggia di schegge subatomiche che innescano una cascata di collisioni di particelle. Alcune di queste particelle secondarie raggiungono i rilevatori a terra, fornendo informazioni che gli scienziati possono utilizzare per dedurre le proprietà del raggio cosmico originale. Ma producono anche un sottofondo interferente che viene notevolmente ridotto facendo volare strumenti su palloni scientifici, che raggiungono quote di quasi 130, 000 piedi (40, 000 metri) e galleggiano al di sopra del 99,5% dell'atmosfera.

Le stelle più massicce forgiano elementi fino al ferro nei loro nuclei e poi esplodono come supernove, disperdere il materiale nello spazio. Le esplosioni creano anche le condizioni che si traducono in un breve, intenso flusso di particelle subatomiche chiamate neutroni. Molti di questi neutroni possono "attaccarsi" ai nuclei di ferro. Alcuni di loro successivamente decadono in protoni, producendo nuovi elementi più pesanti del ferro.

Le onde esplosive di supernova forniscono la spinta che trasforma queste particelle in raggi cosmici ad alta energia. Mentre un'onda d'urto si espande nello spazio, intrappola e accelera le particelle fino a raggiungere energie così estreme che non possono più essere contenute.

Negli ultimi due decenni, prove accumulate dai rivelatori sul satellite Advanced Composition Explorer della NASA e sul predecessore di SuperTIGER, lo strumento TIGER a palloncino, ha permesso agli scienziati di elaborare un quadro generale delle sorgenti di raggi cosmici. Si pensava che circa il 20% dei raggi cosmici provenissero da stelle massicce e detriti di supernova. mentre l'80% proveniva da polvere e gas interstellari con quantità chimiche simili a quelle che si trovano nel sistema solare.

"Negli ultimi anni, è diventato evidente che alcuni o tutti gli elementi molto ricchi di neutroni più pesanti del ferro possono essere prodotti da fusioni di stelle di neutroni invece che da supernove, ", ha detto il co-investigatore Jason Link a Goddard.

Le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi che gli scienziati possono studiare direttamente, i nuclei schiacciati di stelle massicce che sono esplose come supernove. Le stelle di neutroni che orbitano l'una intorno all'altra in sistemi binari emettono onde gravitazionali, che sono increspature nello spazio-tempo previste dalla teoria della relatività generale di Einstein. Queste onde rimuovono l'energia orbitale, facendo sì che le stelle si avvicinassero sempre di più fino a quando alla fine non si scontrano e si fondono.

I teorici hanno calcolato che questi eventi sarebbero stati così ricchi di neutroni da essere responsabili della maggior parte dei raggi cosmici ricchi di neutroni più pesanti del nichel. Il 17 agosto Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA e il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory della National Science Foundation hanno rilevato le prime onde luminose e gravitazionali provenienti da stelle di neutroni che si schiantano. Osservazioni successive dei telescopi spaziali Hubble e Spitzer indicano che nell'evento si sono formate grandi quantità di elementi pesanti.

"È possibile che le fusioni di stelle di neutroni siano la fonte dominante di pesanti, raggi cosmici ricchi di neutroni, ma differenti modelli teorici producono differenti quantità di elementi e dei loro isotopi, " Binns ha detto. "L'unico modo per scegliere tra di loro è misurare ciò che è veramente là fuori, ed è quello che faremo con SuperTIGER."