Neutrini e raggi gamma dallo Spazio profondo

Un singolo neutrino extragalattico arrivato sulla Terra rivela la sorgente che ha emesso neutrini e raggi gamma, a quasi 5 miliardi di anni luce da noi. La scoperta a domande e risposte.

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Illustrazione: rappresentazione artistica di un buco nero. Quando questi oggetti inghiottono gas e polveri, emettono grandi quantità di energia.|Nasa

La notizia ha fatto il giro del mondo: per la prima volta si è "visto" un oggetto dell'Universo emettere sia fotoni sia neutrini. La scoperta da un esperimento in Antartide che ha intercettato, dai suoi effetti, un singolo neutrino ad altissima energia, e perciò di provenienza "cosmica". Vediamo insieme quali sono le parole e i metodi di questa scoperta, che rientra nella cosiddetta astronomia multimessaggera e che ha visto la partecipazione di strumenti e scienziati di tutto il mondo.

 

Fotoni e neutrini: cosa sono?
I fotoni sono particelle che hanno "vita infinita". In realtà possono essere distrutte dall'interazione con altre particelle, ma non muoiono spontaneamente; non hanno massa, eppure sono influenzati dalla gravità e possiedono energia; nel vuoto si muovono alla velocità della luce, mentre quando incontrano la materia la loro velocità può ridursi; luce e radiazioni elettromagnetiche sono trasportate da fotoni. I fotoni permettono di identificare una sorgente di neutrini...

 

Illustrazione: la sorgente di fotoni e neutrini, il telescopio spaziale AGILE e i rivelatori dell'IceCube Neutrino Detector.

I neutrini sono particelle elementari che non sono all'interno degli atomi e, stando alle nostre attuali conoscenze, non sono composti da particelle ancora più semplici; la loro massa è estremamente piccola (non l'abbiamo ancora misurata con precisione) e non hanno una carica elettrica. Nel nostro Universo i neutrini, che svelano i meccanismi fisici alla base dell'emissione dei fotoni, sono molto abbondanti, ma non interagiscono con la materia, e questo li rende assai difficili da trovare. I neutrini si possono formare nel Sole, nella nostra atmosfera o durante imponenti reazioni cosmiche, come le supernovae e i buchi neri. Per catturarli è necessario costruire rivelatori posizionati in luoghi protetti dagli altri tipi di particelle: per questo i rivelatori vengono costruiti, per esempio, nel cuore delle montagne o in profonde miniere. Le rocce, infatti, bloccano le altre particelle, ma lasciano passare i neutrini.

 

Sotto i ghiacci per rilevare i neutrini?
In questa occasione, a rivelare il singolo neutrino è stata una stazione in Antartide, IceCube Neutrino Detector, che lavora sul caso, raro ma pur sempre possibile, di riuscire a cogliere una collisione tra un neutrino e un atomo di ghiaccio antartico: collisione capace di produrre altre particelle che a loro volta vengono intercettate dai rivelatori dell'IceCube. In questo caso stiamo parlando di neutrini generati per lo più dall'interazione dei raggi cosmici con i nuclei di elementi dell'atmosfera terrestre, anche se una piccola parte può avere origini astronomiche, proprio come in questa occasione, quando l'eccezionale energia e cascata di particelle sprigionata dalla collisione ha fatto subito pensare a un neutrino dallo Spazio profondo. Una curiosità: IceCube è fatto da un chilometro cubo di rivelatori posti tra i 1.450 e i 2.450 metri sotto la crosta di ghiaccio.

Neutrini e fotoni insieme?
Quando IceCube ha rivelato il neutrino (dai suoi effetti) ha lanciato una "allerta" a tutti i telescopi disponibili, chiedendo di puntare gli strumenti verso la costellazione di Orione, l'area di cielo da dove era arrivato il neutrino. Hanno risposto subito i telescopi che osservano l'Universo a raggi gamma, perché i processi fisici che originano i neutrini di alta energia producono anche raggi gamma di alta energia.

 

Il telescopio Fermi, creato proprio per studiare il cielo ai raggi gamma e costruito dalla Nasa con la partecipazione dell'Italia (Asi, Inaf e Infn), ha colto immediatamente la presenza di una emissione gamma più brillante del solito. L'oggetto è Txs 0506+056 (i numeri si riferiscono alle coordinate celesti della sorgente), una galassia nota, che emette raggi gamma da un mostruoso buco nero centrale. A questo punto hanno fatto eco anche i rilevamenti del telescopio spaziale Agile, tutto italiano, e dello strumento Magic (alle Canarie), rilevando fotoni gamma da quel punto lontano 4,5-5 miliardi di anni luce. E questa è stata l'apoteosi di ciò che si chiama astronomia multimessaggera.

 

Astronomia multimessagggera: strumenti diversi osservano radiazioni e particelle diverse emessi da un unico fenomeno celeste.

 

Perché multimessaggera?
È la scienza che osserva e interpreta diversi tipi di segnali messaggeri. In questo caso sono stati i fotoni e i neutrini e emessi da un singolo oggetto celeste a essere studiati insieme. Un altro esempio: recentemente, la fusione di due stelle di neutroni è stata osservata - da strumenti a Terra e nello Spazio - sia dalle onde gravitazionali, sia dalla radiazione elettromagnetica.

 

Cosa ha prodotto quel neutrino?
Stando ai ricercatori sembra che sia stato un blazar, ossia una sorgente molto energetica, variabile e molto compatta, prodotta da un buco nero supermassiccio al centro di una galassia. I blazar sono tra i più violenti fenomeni dell'Universo e originano enormi emissioni di energia quando gas, polveri e stelle cadono all'interno di un buco nero. Il "pasto galattico" produce energia sotto forma di fotoni, elettroni, protoni e altre particelle, tra le quali i neutrini: il nostro neutrino antartico dovrebbe essere nato da un flare adronico, ossia una scarica di protoni ad altissima energia che si sono scontrati con i fotoni emessi dal blazar, evento che produce sia raggi gamma sia neutrini.

13 Luglio 2018 | Luigi Bignami