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Tra ammassi di stelle alla ricerca delle sorgenti dei raggi cosmici

Il Large Area Telescope (LAT) a bordo dell'Osservatorio spaziale Fermi ha rivelato il segnale gamma (radiazioni elettromagnetiche di altissima energia) prodotto da giovani raggi cosmici che vagano nella tumultuosa regione di formazione di stelle massicce nota come Cygnus X, all'interno della Via Lattea, sollevando in parte il velo che cela la loro origine.

 

I raggi cosmici sono particelle cariche che scorrazzano per la Via Lattea a una velocità prossima a quella della luce. Sono costituiti da protoni e nuclei più pesanti, mescolati con una spruzzata di elettroni e positroni. Alcuni di essi raggiungono il sistema solare e bombardano incessantemente dall'esterno l'atmosfera terrestre, dove furono scoperti nel 1912; un secolo più tardi però la loro origine è ancora avvolta nel mistero. Si pensa, senza però averne una prova definitiva, che siano accelerati dalle onde d'urto prodotte dalle esplosioni stellari (supernove), ma ancora non è stato chiarito come siano poi rilasciati nello spazio interstellare della galassia. Per spiegare il fatto che la loro distribuzione è pressoché omogenea, mentre la maggior parte delle esplosioni stellari avviene all'interno dei bracci della Via Lattea, l’ipotesi più avvalorata è che i raggi cosmici si propaghino per migliaia di anni luce al di fuori del piano galattico, per poi ricadervi a grande distanza dalle loro sorgenti sotto forma di una pioggia di particelle.


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Filmato 1: I raggi cosmici si muovono a zig-zag nel mezzo interstellare, continuamente deviati dalle turbolenze del campo magnetico, all'interno e al di fuori del bozzolo costituito dai resti di nubi interstellari. Ogni fotogramma corrisponde a un secolo. L'alto livello di turbolenza dentro il bozzolo fa sì che i raggi cosmici vaghino per centinaia di migliaia di anni prima di riuscire a sfuggire e cominciare a diffondersi attraverso la galassia. Animazione: NASA/DOE/Fermi LAT/I. Grenier/L. Tibaldo. Per l'immagine di sfondo si ringrazia il Canadian Galactic Plane Survey/Releve Canadien du Plan Galactique (CGPS/RCPG); assemblata per il CGPS da J. English (CGPS/U. Manitoba) e A. R. Taylor (CGPS/U. Calgary).

 

Le stelle massicce danno origine alla maggior parte delle supernove. Esse tendono a formarsi e rimanere raggruppate durante la loro breve vita in ammassi insieme con altre stelle. È in questi ammassi quindi che potrebbero collocarsi le sorgenti dei raggi cosmici. Questa idea, proposta all'inizio degli anni '80, è supportata dalla composizione che misuriamo vicino alla Terra: alcuni nuclei radioattivi indicano che stelle estremamente massicce sintetizzano i nuclei pesanti dei raggi cosmici centinaia di migliaia di anni prima della loro accelerazione. Ora le immagini gamma del LAT forniscono una prova che sorgenti di raggi cosmici albergano negli ammassi di stelle massicce.

 

Il risultato è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Science dalla collaborazione internazionale Fermi LAT. Tra i coordinatori di questo lavoro Luigi Tibaldo, post-doc del Dipartimento di Fisica dell'Università di Padova e associato all'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Altri membri del gruppo Fermi LAT di Padova sono tra gli autori dell'articolo: Denis Bastieri e Riccardo Rando, ricercatori universitari, e Sara Buson, studentessa della scuola di dottorato in Fisica.

 

«Il LAT – afferma Luigi Tibaldo – ha rivelato un eccesso di raggi gamma di alta energia che riempiono le cavità scavate dall'attività delle migliaia di stelle massicce in Cygnus X, a 4500 anni luce dal sistema solare. Stiamo osservando giovani raggi cosmici con energie di migliaia di miliardi di elettronvolt*, che sulla Terra sono raggiunti solo nei più potenti acceleratori di particelle. Questi raggi cosmici hanno appena cominciato il loro viaggio nella galassia: allontanandosi a zig-zag dal loro acceleratore ed emettono bagliori gamma quando incontrano gas interstellare o luce emessa dalle stelle e dalle nebulose».

 

Le stelle massicce scatenano intorno a loro immani cataclismi. La loro radiazione ultravioletta ionizza e riscalda il gas circostante fino a temperature di migliaia di gradi. I loro venti poderosi spazzano via il gas e si scontrano l'uno con l'altro come in giganteschi uragani. La loro burrascosa attività riesce a scavare ampie cavità nel mezzo interstellare in cui rimane gas tenue e caldo. Si forma così una “superbolla”, che si espande comprimendo ai suoi bordi i resti delle dense nubi di gas che avevano generato gli ammassi stellari, e innesca alla sua periferia una ulteriore formazione di stelle.

 

«In Cygnus X – spiega Isabelle Grenier, professoressa di Astrofisica presso l'Università di Parigi Denis Diderot e ricercatrice presso il Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) di Saclay, Francia, co-autrice di questo studio – i resti delle nubi interstellari, scolpiti dalle stelle massicce vecchie 5 milioni di anni, formano un bozzolo riempito da onde d'urto che viaggiano a velocità che vanno dalle decine alle centinaia di chilometri al secondo. Queste onde agitano il gas e torcono i campi magnetici in una sorta di idromassaggio cosmico, di modo che i giovani raggi cosmici, una volta lasciati i loro acceleratori, rimangono intrappolati nel tumulto prima di riuscire a raggiungere le regioni più tranquille del mezzo interstellare, dove possono fluire più liberamente. Il bozzolo agisce come una camera di decompressione tra le sorgenti e la Via Lattea su larga scala».

 

«Dobbiamo ancora capire – commenta Luigi Tibaldo – se le particelle guadagnino o perdano energia all'interno di questo bozzolo, ma la sua esistenza ci mostra come la storia dei raggi cosmici sia molto più complessa di un semplice moto casuale che li allontani dalle loro sorgenti».

 

«La termodinamica e la chimica delle dense nubi di gas da cui traggono la loro origine stelle e pianeti – aggiunge Isabelle Grenier – è controllata dal potere di ionizzazione dei raggi cosmici di bassa energia. La frazione di particelle che rimane confinata e disperde energia all'interno delle regioni di formazione stellare influenza fortemente il ciclo della materia nel Cosmo, dal mezzo interstellare alle stelle e viceversa».

 

La scoperta del “bozzolo” di giovani raggi cosmici in Cygnus X spalanca nuovi scenari nello studio delle regioni dove si verifica un'intensa attività di formazione di stelle massicce. Altre potenziali fucine di raggi cosmici si possono cercare negli enormi ammassi di stelle massicce (superammassi) della nostra galassia e di quelle vicine. Potremo così approfondire la nostra comprensione dell'origine e dell’evoluzione dei raggi cosmici e cercare di intuire cosa sia accaduto nelle vivaci galassie dell'Universo primordiale.

 

(*) Mille miliardi di ellettronvolt corrispondono all'incirca al 10% dell'energia di una zanzara in volo. Si tratta di un'energia minuscola nel mondo macroscopico, ma gigantesca se concentrata in una singola particella, se si pensa che una zanzara è costituita da cento miliardi di miliardi di atomi!

 

Multimedia


Figura 1: L'eccesso di raggi gamma, visibile nell'immagine a sinistra, è prodotto dai giovani raggi cosmici nella regione di Cygnus X (Immagine: NASA/DOE/Fermi LAT/I. Grenier/L. Tibaldo). Nell'immagine a destra, si osserva la radiazione infrarossa prodotta da minuscoli granelli di polvere sulle pareti delle cavità formate dall' attività delle stelle massicce. All'interno di queste cavità sono confinati i raggi cosmici di alta energia, come si vede dal confronto con l'immagine a sinistra. Il cerchio verde corrisponde ai resti della supernova Gamma Cygni, esplosa circa ottomila anni fa.

 

Figura 2: Il tempestoso paesaggio di Cygnus X visto in onde radio e infrarosse. Si vedono onde d'urto prodotte da antiche supernove (sfere giallastre), le bolle di gas ionizzato incandescente prodotte dall'attività delle stelle massicce al loro intorno (globuli bianchi) e le colossali nubi di gas interstellare (in bianco, blu e verde) spazzate via dall'azione collettiva delle numerose stelle massicce presenti nella regione, così da formare il bozzolo dove la presenza di giovani raggi cosmici è stata rivelata dal LAT (all'interno del contorno in azzurro). Immagine: NASA/DOE/Fermi LAT/I. Grenier/L. Tibaldo. Per l'immagine di sfondo si ringrazia il Canadian Galactic Plane Survey/Releve Canadien du Plan Galactique (CGPS/RCPG); assemblata per il CGPS da J. English (CGPS/U. Manitoba) e A. R. Taylor (CGPS/U. Calgary).


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Filmato 2: La sovrapposizione tra le due immagini in Figura 1 illustra la forte associazione spaziale tra le cavità interstellari in Cygnus X e la regione dove sono confinati i giovani raggi cosmici rivelati dall'emissione gamma. Animazione: NASA/DOE/Fermi LAT/I. Grenier/L. Tibaldo.

 

Approfondimenti

Articolo della collaborazione Fermi LAT
Ackermann et al., Science, November 25, 2011
http://www.sciencemag.org/content/334/6059/1103.abstract


Siti web per approfondimenti su Fermi:
Articolo sul sito della NASA
Articolo sul sito della CEA

fermi.gsfc.nasa.gov

www-glast.stanford.edu

 

Contatti
Dipartimento di Fisica, Università degli studi di Padova
Luigi Tibaldo
luigi.tibaldo@pd.infn.it
049 8275956

 

 

 

25/11/2011