In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza , la collaborazione Pierre Auger ha definitivamente risposto alla domanda se particelle cosmiche provenienti dall'esterno della Via Lattea. L'articolo, intitolato "Osservazione di un'anisotropia su larga scala nelle direzioni di arrivo dei raggi cosmici sopra 8 × 1018 eV", osserva che lo studio della distribuzione delle direzioni di arrivo dei raggi cosmici è il primo passo per determinare l'origine delle particelle extragalattiche.

Gli scienziati che hanno collaborato sono stati in grado di effettuare le loro registrazioni utilizzando il più grande osservatorio di raggi cosmici mai costruito, l'Osservatorio Pierre Auger in Argentina. Inclusi in questa collaborazione sono David Nitz e Brian Fick, professori di fisica alla Michigan Technological University.

"Siamo ora notevolmente più vicini alla soluzione del mistero di dove e come vengono create queste particelle straordinarie, una questione di grande interesse per gli astrofisici, " dice Karl-Heinz Kampert, professore all'Università di Wuppertal in Germania e portavoce della Auger Collaboration, che coinvolge più di 400 scienziati provenienti da 18 paesi.

I raggi cosmici sono i nuclei degli elementi dall'idrogeno al ferro. Studiarli offre agli scienziati un modo per studiare la materia al di fuori del nostro sistema solare, e ora, fuori dalla nostra galassia. I raggi cosmici ci aiutano a capire la composizione delle galassie e i processi che avvengono per accelerare i nuclei quasi alla velocità della luce. Studiando i raggi cosmici, gli scienziati potrebbero arrivare a capire quali meccanismi creano i nuclei.

L'astronomo Carl Sagan una volta disse:"L'azoto nel nostro DNA, il calcio nei nostri denti, il ferro nel nostro sangue, il carbonio nelle nostre torte di mele è stato fatto all'interno di stelle che crollano. Siamo fatti di materia stellare".

Per dirla semplicemente, comprendere i raggi cosmici e la loro origine può aiutarci a rispondere a domande fondamentali sulle origini dell'universo, la nostra galassia e noi stessi.

Incredibilmente energico e in viaggio lontano

È estremamente raro che raggi cosmici con energia maggiore di due joule raggiungano la Terra; il tasso del loro arrivo nella parte superiore dell'atmosfera è solo di circa uno per chilometro quadrato all'anno, l'equivalente di un raggio cosmico che colpisce un'area delle dimensioni di un campo da calcio circa una volta al secolo.

Un joule è una misura dell'energia; un joule equivale a uno 3, 600° di wattora. Quando una singola particella di raggio cosmico colpisce l'atmosfera terrestre, quell'energia si deposita entro pochi milionesimi di secondo.

Tali particelle rare sono rilevabili perché creano sciami di elettroni, fotoni e muoni attraverso interazioni successive con i nuclei nell'atmosfera. Queste docce sparse, spazzare attraverso l'atmosfera alla velocità della luce in una struttura a disco, come un piatto gigante, diversi chilometri di diametro. Contengono più di 10 miliardi di particelle.

All'Osservatorio Pierre Auger, i raggi cosmici vengono rilevati misurando la luce Cherenkov, radiazione elettromagnetica emessa da particelle cariche che passano attraverso un mezzo, come l'acqua, a maggiore della velocità di fase della luce in quel mezzo. Il team misura la luce Cherenkov prodotta in un rivelatore, che è una grande struttura di plastica che contiene 12 tonnellate d'acqua. Raccolgono un segnale in alcuni rilevatori all'interno di un array di 1, 600 rilevatori.

I rivelatori sono distribuiti su 3, 000 chilometri quadrati vicino alla città di Malargüe nell'Argentina occidentale, un'area di dimensioni paragonabili a Rhode Island. I tempi di arrivo delle particelle ai rivelatori, misurato con ricevitori GPS, sono usati per determinare la direzione da cui le particelle sono venute entro circa un grado.

Studiando la distribuzione delle direzioni di arrivo di più di 30, 000 particelle cosmiche, la Auger Collaboration ha scoperto un'anisotropia, che è la differenza nella velocità di arrivo dei raggi cosmici a seconda della direzione in cui si guarda. Ciò significa che i raggi cosmici non provengono uniformemente da tutte le direzioni; c'è una direzione da cui il tasso è più alto.

L'anisotropia è significativa a 5,2 deviazioni standard (una possibilità di circa due su dieci milioni) in una direzione in cui la distribuzione delle galassie è relativamente alta. Sebbene questa scoperta indichi chiaramente un'origine extragalattica per le particelle, le sorgenti specifiche dei raggi cosmici sono ancora sconosciute.

La direzione punta a un'ampia area di cielo piuttosto che a fonti specifiche perché anche tali particelle energetiche vengono deviate di poche decine di gradi nel campo magnetico della nostra galassia.

Sono stati osservati raggi cosmici con energia ancora maggiore di quelli utilizzati nello studio della Pierre Auger Collaboration, alcuni anche con l'energia cinetica di una pallina da tennis ben battuta. Poiché le deviazioni di tali particelle dovrebbero essere più piccole a causa della loro maggiore energia, le indicazioni di arrivo dovrebbero puntare più vicino ai loro luoghi di nascita. Tali raggi cosmici sono ancora più rari e sono in corso ulteriori studi per stabilire quali oggetti extragalattici ne siano le sorgenti.

La conoscenza della natura delle particelle aiuterà questa identificazione, e la continuazione del lavoro su questo problema è mirata all'aggiornamento dell'Osservatorio Auger da completare nel 2018.

Ci vuole un villaggio (globale)

Condurre questo calibro della scienza non è l'impresa di un individuo. Più di 400 scienziati hanno contribuito alla ricerca. Alla Michigan Tech, David Nitz, professore di fisica, contribuisce all'elettronica che registra i segnali nei serbatoi dell'acqua. Ha scritto il codice che è programmato nei circuiti, che converte la luce Cherenkov nei rilevatori del serbatoio dell'acqua in segnali digitali. Ciò consente all'hardware di prendere decisioni molto rapide sui segnali registrati nei serbatoi e se valgono ulteriori analisi.

"Mi piace molto questo tipo di scienza. Ma sono un tipo pratico, " Dice Nitz. "Io visualizzo come passiamo dal concetto alla costruzione concreta di uno strumento in modo da poter affrontare quella scienza. Questo è quello che ho fatto per tutta la mia carriera scientifica:rispondere a come affrontiamo l'esecuzione di tali misurazioni".

Parte dell'aggiornamento all'Osservatorio Auger consiste nel sostituire i vecchi circuiti stampati con quelli più recenti che hanno una maggiore capacità di elaborare i segnali più velocemente e con maggiore precisione, e incorporare i segnali provenienti da rilevatori aggiuntivi. Questi rivelatori aggiuntivi includono un rivelatore a scintillatore sopra ogni rivelatore di superficie, e aggiungendo un quarto tubo fotomoltiplicatore a ciascun rivelatore.