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Searching for The Origin of Cosmic Rays and Neutrinos with LOFAR

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Gli impulsi radio ci aiutano a comprendere l’origine misteriosa dei raggi cosmici

Una nuova tecnica per osservare i raggi cosmici mediante radiotelescopi può chiarire la provenienza di queste potenti particelle nell’universo e cosa le produce.

Spazio

L’origine dei raggi cosmici, particelle cariche che si muovono a una velocità prossima a quella della luce, è uno dei misteri duraturi dell’astronomia. Mentre la luce raggiunge gli astronomi più o meno in linea retta dalla sua sorgente, i raggi cosmici vengono deviati dai campi magnetici, oscurandone le origini. Il progetto LOFAR, finanziato dall’UE, ha aperto la strada a un nuovo metodo radiotelescopico per osservare i raggi cosmici e apprendere di più su di essi. Non tutti i raggi cosmici sono stati creati uguali e sono disponibili in un’ampia gamma di energie correlate alla loro massa e velocità. Particelle di energia inferiore di 10^15 eV potrebbero trarre origine dai resti di supernove nel nucleo della Via Lattea, dove le particelle «navigano» i confini delle stelle esplosive, aumentando gradualmente di velocità. Ma non esiste alcun meccanismo noto all’interno della nostra galassia che riesca ad accelerare particelle alle energie molto elevate che a volte si vedono, suggerendo un’origine extragalattica. «I resti di supernove estremamente potenti potrebbero forse produrre energie 100 volte superiori a 10^15 eV, ma oltre a ciò è teoricamente difficile trovare fonti in grado di produrre tali energie», spiega Stijn Buitink, coordinatore del progetto.

Arrivi alieni

Identificare il livello preciso di energia in cui i raggi cosmici vengono dominati da sorgenti extragalattiche aiuterà gli astronomi a ricostruire le probabili condizioni che li producono. Per farlo è necessario effettuare molte misurazioni, ma l’osservazione dei raggi cosmici è difficile, perché colpiscono la Terra a una velocità di una particella di 10^15 eV per chilometro quadrato all’anno, rendendo inefficienti i rilevatori a terra. Più tipicamente, gli astronomi studiano la debole fluorescenza creata quando i raggi cosmici entrano nell’atmosfera e si scontrano con le molecole d’aria, ma ciò può essere eseguito solo nelle notti molto buie. Buitink e il suo gruppo di ricerca presso la VUB in Belgio hanno utilizzato una nuova tecnica, identificando particelle cosmiche tramite l’impulso radio che emettono quando entrano in collisione con l’atmosfera terrestre. «Questi impulsi sono molto brevi, lunghi decine di nanosecondi», aggiunge Buitink. I segnali sono stati rilevati con LOFAR, una serie di 20 000 piccole antenne radio nei Paesi Bassi. Per distinguere i brevi impulsi radio di raggi cosmici da sorgenti artificiali, quali le candele nei motori delle automobili, LOFAR utilizza rilevatori di particelle che rilevano la pioggia di particelle secondarie proveniente da una collisione di raggi cosmici nell’atmosfera superiore. «Grazie a LOFAR abbiamo dimostrato che è possibile monitorare i raggi cosmici in modo molto accurato con la radio, con la stessa precisione delle tecniche tradizionali», afferma Buitink. La nuova tecnica consentirà loro di osservare i raggi cosmici in tutte le condizioni di luce, attraverso un’ampia fascia di cielo.

Metalli pesanti

I raggi cosmici di massa più pesante, tra cui quelli di ferro o piombo, penetreranno più in profondità nell’atmosfera perciò, individuando l’origine dell’impulso radio, Buitink e il suo gruppo sono stati in grado di calcolare l’elemento costitutivo dei raggi cosmici rilevati e il loro livello di energia. È tuttavia presente ancora un piccolo disaccordo tra i risultati di LOFAR e quelli generati dalla fluorescenza nell’aria. «O c’è qualcosa che non comprendiamo sulle misurazioni, o potrebbe esserci qualcosa di interessante nella fisica», osserva Buitink. «Quello che possiamo dire adesso è che LOFAR ha contribuito ad aggiungere misurazioni, basate su una tecnologia completamente diversa, con diverse incertezze». Gli aggiornamenti sono ora pianificati per LOFAR affinché funzioni in modo continuativo, generando dati indispensabili. Buitink sta anche cercando di utilizzare lo Square Kilometre Array (SKA), attualmente in costruzione in Australia, per osservare i raggi cosmici con una precisione ancora maggiore.

Parole chiave

LOFAR, raggi cosmici, particella carica, impulso radio, telescopio, supernove, fonte di energia, particelle secondarie

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