La Nebulosa del Granchio ha appena fatto esplodere la Terra con i fotoni di più alta energia mai registrati

Nebulosa del Granchio Nasa

L'altopiano tibetano è una vasta pianura elevata a quasi cinque chilometri sul livello del mare, a volte chiamata il Tetto del Mondo. Confina a sud con la catena montuosa più alta del mondo e a nord con terre desertiche. È uno dei luoghi più isolati della Terra.

Ma l'altitudine estrema lo rende un luogo utile per gli scienziati. Nel 1990 hanno costruito qui un osservatorio per studiare le piogge di particelle subatomiche che piovono dall'alta atmosfera ogni volta che viene colpita da un raggio cosmico ad alta energia. Questo lavoro è fatto meglio in alta quota perché c'è meno atmosfera per assorbire le particelle.

Da allora, il cosiddetto Tibet Air Shower Array ha registrato un gran numero di raggi cosmici ad alta energia, particelle accelerate a enormi energie da fenomeni astrofisici come supernove, nuclei galattici attivi e misteriose sorgenti non ancora identificate.

Ma l'array capta anche docce d'aria causate da una fonte diversa: i fotoni ad alta energia. Questi misteriosi fotoni sono creati anche da fenomeni astrofisici come l'interazione tra particelle ad alta energia e il fondo cosmico a microonde. Di conseguenza, possono fornire una visione unica di questi processi e degli ambienti in cui si verificano.

Nel corso degli anni, il Tibet Air Shower Array ha individuato molti di questi fotoni con energie fino a dozzine di teraelettronvolt (TeV 1012). Questo è più o meno equivalente ai fotoni di più alta energia che possono essere creati sulla Terra. Ma nessuno ha mai osservato fotoni più potenti.

Finora. Oggi, i ricercatori della Tibet Air Shower Gamma Collaboration affermano di aver osservato per la prima volta fotoni con energie superiori a 100 TeV, incluso un notevole fotone con un'energia di quasi 500 TeV. Questo singolo fotone ha all'incirca la stessa energia di una pallina da ping-pong che cade ed è il fotone con la più alta energia mai registrato.

La collaborazione ha anche scoperto da dove provengono questi fotoni: la Nebulosa del Granchio, i resti di una supernova che fu osservata per la prima volta nel 1054 d.C. nel braccio di Perseo della Via Lattea, a circa 6.500 anni luce dalla Terra.

Al centro di questa nebulosa c'è una pulsar, una stella di neutroni che ruota a una velocità di 30 volte al secondo ed emette impulsi elettromagnetici su un'ampia gamma di frequenze. Sebbene la Nebulosa del Granchio non sia visibile ad occhio nudo - ha all'incirca la stessa luminosità della luna di Saturno Titano - è la fonte più luminosa nel cielo notturno di raggi X e raggi gamma con energie superiori a 30 KeV.

Ciò lo rende di notevole interesse per gli astronomi. Una domanda che li affascina è quanto possano diventare energetici questi fotoni e cosa dice loro la distribuzione delle energie dei fotoni sulle condizioni all'interno della nebulosa.

Si pensa che i fotoni di questa energia siano creati da un processo noto come diffusione Compton inversa. Ciò si verifica quando una particella ad alta energia trasferisce la sua energia a un fotone. Nel caso della Nebulosa del Granchio, le particelle ad alta energia sono probabilmente elettroni e protoni accelerati dalle onde d'urto nei potenti campi magnetici che circondano la pulsar. Questo dà loro energie nell'intervallo sub-petaelettronvolt (1015).

In confronto, il Large Hadron Collider, il più potente acceleratore di particelle al mondo, ha un'energia di collisione di 14 TeV.

Queste particelle trasferiscono quindi la loro energia ai fotoni rimasti dal Big Bang, chiamati fondo cosmico a microonde, dando loro centinaia di TeV. Questi sono i fotoni rilevati dal Tibet Air Shower Array. Questo è il primo rilevamento dei fotoni di energia più alta oltre 100 TeV da una sorgente astrofisica, e quindi apre la finestra sub-PeV in astronomia, dicono.

Questo rivela esattamente quali tipi di condizioni devono esistere all'interno della nebulosa. In particolare, rivela l'entità delle onde d'urto che passano attraverso il campo magnetico. E questo, a sua volta, fa luce sui processi che devono generare queste onde d'urto.

Diverse teorie prevedono un limite all'energia che i fotoni possono guadagnare in questo modo. Ma la collaborazione con il Tibet finora non ne ha trovato alcun segno. È possibile che i fotoni con exaelettronvolt (1018) vengano prodotti in questo modo. In tal caso, un singolo fotone avrebbe l'energia di un proiettile di fucile ad aria compressa. Nel 1991, i fisici hanno misurato un raggio cosmico con un'energia di 300 EeV, la cosiddetta particella Oh-My-God, la particella con la più alta energia mai registrata.

Ma prima, saranno necessarie ulteriori prove dalla collaborazione con il Tibet e da altri gruppi per aiutare a mettere a punto le teorie astrofisiche su ciò che accade esattamente all'interno di questi ambienti più estremi dell'universo.

Rif: https://arxiv.org/abs/1906.05521 : Primo rilevamento di fotoni con energia superiore a 100 TeV da una sorgente astrofisica

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