Gli astronomi si sono chiesti a lungo dove hanno origine i raggi cosmici ad alta energia nella nostra galassia? Nuove osservazioni con l'aiuto dell'osservatorio Esperimento Cherenkov sull'acqua ad alta quota (HAWC) ha scoperto un candidato quasi impossibile: altrimenti, una gigantesca nuvola molecolare è un fenomeno comune.
I raggi cosmici non sono affatto raggi, ma piuttosto minuscole particelle che viaggiano attraverso l'universo quasi alla velocità della luce. Possono essere costituiti da elettroni, protoni o anche ioni di elementi più pesanti. Vengono creati in tutti i tipi di processi ad alta energia in tutto il cosmo, dalle esplosioni di supernova alle fusioni stellari e persino quando un buco nero risucchia gas. I raggi cosmici sono disponibili in un'ampia varietà di energie e, in generale, i raggi cosmici di energia superiore sono meno comuni dei loro cugini di energia inferiore. Questo rapporto cambia leggermente a una certa energia - 10^15 elettronvolt - che è chiamata "ginocchio". L'elettronvolt, o eV, è semplicemente il modo in cui i fisici delle particelle amano misurare i livelli di energia. Per fare un confronto, il più potente collisore di particelle sulla Terra, il Large Hadron Collider, può raggiungere 13 × 10 ^ 12 eV, che è spesso indicato come 13 teraelectron volt o 13 TeV.
I raggi cosmici con energia superiore a 10-15 eV sono molto più rari di quanto ci si potrebbe aspettare. Ciò ha portato gli astronomi a credere che qualsiasi raggio cosmico a questo livello di energia e oltre provenga dall'esterno della galassia, mentre i processi nella Via Lattea sono in grado di produrre raggi cosmici fino a 10-15 eV inclusi. Qualunque cosa stia creando questi raggi cosmici sarà nella gamma "peta" e quindi più di 1000 volte più potente dei nostri migliori acceleratori di particelle - i "pevatron" naturali che vagano per la galassia.
La missione è semplice: trovare la fonte dei raggi cosmici su scala PEV nella Via Lattea. Ma nonostante la loro energia, è difficile determinarne l'origine. Questo perché i raggi cosmici sono costituiti da particelle cariche e le particelle cariche che viaggiano nello spazio interstellare reagiscono al campo magnetico della nostra galassia. Quindi, quando vedi un raggio cosmico ad alta energia proveniente da una certa direzione nel cielo, non hai davvero idea di dove provenga effettivamente: il suo percorso è stato contorto e contorto nel suo viaggio verso la Terra. Ma invece di cercare direttamente i raggi cosmici, possiamo cercare i loro parenti.
Quando i raggi cosmici colpiscono accidentalmente una nube di gas interstellare, possono emettere raggi gamma, una forma di radiazione ad alta energia. Questi raggi gamma attraversano la galassia in linea retta, permettendoci di determinare direttamente la loro origine. Pertanto, se vediamo una forte sorgente di raggi gamma, possiamo cercare sorgenti vicine di raggi cosmici PEV.
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Questo metodo è stato utilizzato da un gruppo di ricercatori utilizzando l'HAWC, che si trova sul vulcano Sierra Negra nel Messico centro-meridionale. HAWC "guarda" il cielo accanto a vasche piene di acqua purissima. Quando le particelle o le radiazioni ad alta energia colpiscono i serbatoi, emettono un lampo di luce blu, consentendo agli astronomi di tracciare la sorgente nel cielo.
In dettaglio in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista arXiv, gli astronomi hanno identificato una sorgente di raggi gamma superiore a 200 TeV che può essere prodotta solo da raggi cosmici ancora più potenti, il tipo di raggi cosmici che raggiungono la scala PEV. La sorgente, denominata HAWC J1825-134, si trova approssimativamente verso il centro della Galassia. HAWC J1825-134 ci appare come una macchia luminosa di raggi gamma illuminata da una sorgente di raggi cosmici sconosciuta, forse la più potente sorgente di raggi cosmici conosciuta nella Via Lattea.
Diversi comuni sospetti di sorgenti di raggi cosmici ad alta energia si trovano a poche migliaia di anni luce da HAWC J1825-134, ma nessuno di loro può facilmente spiegare il segnale. Ad esempio, il centro galattico stesso è un noto generatore di intensi raggi cosmici, ma è troppo lontano da HAWC J1825-134 per essere rilevante per queste misurazioni. Ci sono alcuni resti di supernova e le supernove sono senza dubbio molto potenti. Ma tutte le supernove nella regione di HAWC J1825-134 sono esplose molto tempo fa, troppo tempo fa per produrre ora questi raggi cosmici ad alta energia.
Anche le pulsar, i resti densi e in rapida rotazione dei nuclei di stelle massicce, producono abbondanti quantità di raggi cosmici. Ma anch'essi sono troppo lontani dalla sorgente della radiazione gamma - l'energia di elettroni e protoni proveniente dalla pulsar - semplicemente non sono abbastanza alti da viaggiare per migliaia di anni luce fino al punto in cui viene emessa la radiazione gamma.
Sorprendentemente, la fonte di questi raggi cosmici da record si è rivelata nientemeno che una gigantesca nuvola molecolare. Queste nuvole sono creature giganti e goffe piene di polvere e gas che vagano per la galassia. A volte si contraggono e diventano stelle, ma altrimenti possono rimanere quiescenti e sciolti per miliardi di anni.
All'interno del complesso di nuvole c'è un ammasso di stelle appena nate, ma si ritiene che anche le giovani stelle più fantasiose e rumorose non siano abbastanza potenti da lanciare tali raggi cosmici. Gli stessi ricercatori ammettono di non sapere come fa questa nuvola, ma in qualche modo, quando nessuno prestava attenzione, ha generato alcune delle particelle più potenti dell'intera galassia.
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