Un'illustrazione artistica di un blazar che accelera raggi cosmici, neutrini e fotoni fino ad alte energie, come osservato nei blazar PeVatron. Credito:Benjamin Amend
Altamente energetici e difficili da rilevare, i neutrini viaggiano per miliardi di anni luce prima di raggiungere il nostro pianeta. Sebbene sia noto che queste particelle elementari provengono dalle profondità del nostro universo, la loro precisa origine è ancora sconosciuta. Un gruppo di ricerca internazionale, guidato dall'Università di Würzburg e dall'Università di Ginevra (UNIGE), sta facendo luce su un aspetto di questo mistero:si pensa che i neutrini nascano nei blazar, nuclei galattici alimentati da buchi neri supermassicci. Questi risultati sono pubblicati sulla rivista The Astrophysical Journal Letters .
L'atmosfera terrestre è continuamente bombardata dai raggi cosmici. Questi sono costituiti da particelle elettricamente cariche di energia fino a 10 20 elettronvolt. Questo è un milione di volte più dell'energia raggiunta nel più potente acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider vicino a Ginevra. Le particelle estremamente energetiche provengono dallo spazio profondo, hanno viaggiato per miliardi di anni luce. Da dove hanno origine, cosa li lancia attraverso l'universo con una forza così tremenda? Queste domande sono tra le più grandi sfide dell'astrofisica da oltre un secolo.
I luoghi di nascita dei raggi cosmici producono neutrini. I neutrini sono particelle neutre difficili da rilevare. Non hanno quasi massa e difficilmente interagiscono con la materia. Corrono attraverso l'universo e possono viaggiare attraverso le galassie, i pianeti e il corpo umano quasi senza lasciare traccia. "I neutrini astrofisici sono prodotti esclusivamente in processi che coinvolgono l'accelerazione dei raggi cosmici", spiega la professoressa di astrofisica Sara Buson della Julius-Maximilians-Universität (JMU) di Würzburg in Baviera, in Germania. Questo è esattamente ciò che rende questi neutrini messaggeri unici, spianando la strada per individuare le sorgenti di raggi cosmici.
Un passo avanti in un dibattito controverso
Nonostante la grande quantità di dati raccolti dagli astrofisici, l'associazione dei neutrini ad alta energia con le sorgenti astrofisiche che li originano è un problema irrisolto da anni. Sara Buson l'ha sempre considerata una grande sfida. È stato nel 2017 che il ricercatore e i collaboratori hanno portato per la prima volta un blazar (TXS 0506+056) nella discussione come presunta fonte di neutrini nella rivista Science . I Blazar sono nuclei galattici attivi alimentati da buchi neri supermassicci che emettono molte più radiazioni dell'intera galassia. La pubblicazione ha acceso un dibattito scientifico sull'esistenza o meno di una connessione tra blazar e neutrini ad alta energia.
Dopo questo primo incoraggiante passo, nel giugno 2021 il gruppo del Prof. Buson ha avviato un ambizioso progetto di ricerca multi-messaggero con il supporto dell'European Research Council. Ciò comporta l'analisi di vari segnali ("messaggeri", ad esempio neutrini) dall'universo. L'obiettivo principale è quello di far luce sull'origine dei neutrini astrofisici, possibilmente stabilendo i blazar come la prima fonte di neutrini extragalattici ad alta energia con elevata certezza.
Il progetto sta ora mostrando il suo primo successo:nella rivista Astrophysical Journal Letters , Sara Buson, insieme al suo gruppo, l'ex postdoc Raniere de Menezes (JMU) e Andrea Tramacere dell'Università di Ginevra, riferisce che i blazar possono essere associati con sicurezza ai neutrini astrofisici con un grado di certezza senza precedenti.
Rivelare il ruolo dei blazar
Andrea Tramacere è uno degli esperti nella modellazione numerica dei processi di accelerazione e dei meccanismi di radiazione che agiscono nei getti relativistici - deflussi di materia accelerata, che si avvicinano alla velocità della luce - in particolare i getti blazar. "Il processo di accrescimento e la rotazione del buco nero portano alla formazione di getti relativistici, dove le particelle vengono accelerate ed emettono radiazioni fino a energie di mille miliardi di quelle della luce visibile! La scoperta della connessione tra questi oggetti e il cosmico i raggi possono essere la "pietra di Rosetta" dell'astrofisica delle alte energie."
Per arrivare a questi risultati, il team di ricerca ha utilizzato i dati sui neutrini dell'IceCube Neutrino Observatory in Antartide, il rivelatore di neutrini più sensibile attualmente in funzione, e BZCat, uno dei cataloghi più accurati di blazar. "Con questi dati dovevamo dimostrare che i blazar le cui posizioni direzionali coincidevano con quelle dei neutrini non erano lì per caso". Per fare ciò, il ricercatore UNIGE ha sviluppato un software in grado di stimare quanto le distribuzioni di questi oggetti nel cielo siano uguali. "Dopo aver tirato i dadi più volte, abbiamo scoperto che l'associazione casuale può superare quella dei dati reali solo una volta su un milione di prove! Questa è una forte evidenza che le nostre associazioni sono corrette."
Nonostante questo successo, il team di ricerca ritiene che questo primo campione di oggetti sia solo la "punta dell'iceberg". Questo lavoro ha consentito loro di raccogliere "nuove prove osservative", che è l'ingrediente più importante per costruire modelli più realistici di acceleratori astrofisici. "Quello che dobbiamo fare ora è capire qual è la differenza principale tra gli oggetti che emettono neutrini e quelli che non lo fanno. Questo ci aiuterà a capire fino a che punto l'ambiente e l'acceleratore 'parlano' tra loro. Lo faremo quindi essere in grado di escludere alcuni modelli, migliorare il potere predittivo di altri e, infine, aggiungere altri pezzi all'eterno puzzle dell'accelerazione dei raggi cosmici". + Esplora ulteriormente
