Gli astronomi hanno rintracciato un neutrino ad alta energia alla sua fonte cosmica per la prima volta, risolvendo un mistero secolare nel processo.

I neutrini sono particelle subatomiche quasi senza massa che non hanno carica elettrica e quindi interagiscono raramente con i loro dintorni. Infatti, trilioni di queste “particelle fantasma” scorrono attraverso il tuo corpo inosservate e senza ostacoli ogni secondo.

La maggior parte di questi neutrini proviene dal sole. Ma una piccola percentuale, che vanta energie estremamente elevate, è arrivata fino a noi dallo spazio molto profondo. L’elusività intrinseca dei neutrini ha impedito agli astronomi di individuare l’origine di questi vagabondi cosmici – fino ad ora.

Le osservazioni dell’IceCube Neutrino Observatory al Polo Sud e una serie di altri strumenti hanno permesso ai ricercatori di rintracciare un neutrino cosmico in un lontano blazar, un’enorme galassia ellittica con un buco nero supermassiccio a rotazione rapida nel suo cuore.

E c’è di più. I neutrini cosmici vanno di pari passo con i raggi cosmici, particelle cariche altamente energetiche che sbattono sul nostro pianeta continuamente. Quindi, il nuovo ritrovamento fa sì che i blazar siano anche acceleratori di almeno alcuni dei raggi cosmici più veloci.

Gli astronomi se lo sono chiesto da quando i raggi cosmici sono stati scoperti per la prima volta, nel lontano 1912. Ma sono stati ostacolati dalla natura carica delle particelle, che impone che i raggi cosmici vengano tirati di qua e di là da vari oggetti mentre attraversano lo spazio. Il successo è arrivato finalmente utilizzando il viaggio in linea retta di una particella fantasma compagna di viaggio.

“Abbiamo cercato le fonti dei raggi cosmici per più di un secolo, e finalmente ne abbiamo trovata una”, ha detto a Space.com Francis Halzen, scienziato capo dell’IceCube Neutrino Observatory e professore di fisica all’Università del Wisconsin-Madison.

Un lavoro di squadra

IceCube, che è gestito dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, è un cacciatore di neutrini dedicato. La struttura consiste di 86 cavi, che si annidano all’interno di fori che si estendono per circa 1,5 miglia (2,5 chilometri) nel ghiaccio antartico. Ogni cavo, a sua volta, contiene 60 “moduli ottici digitali” delle dimensioni di un pallone da basket, che sono dotati di sensibili rivelatori di luce.

Questi rivelatori sono progettati per raccogliere la caratteristica luce blu emessa dopo che un neutrino interagisce con un nucleo atomico. (Questa luce è emessa da una particella secondaria creata dall’interazione. E nel caso te lo stessi chiedendo: Tutto quel ghiaccio sovrastante impedisce alle particelle diverse dai neutrini di raggiungere i rivelatori e di sporcare i dati). Questi sono eventi rari; IceCube individua solo un paio di centinaia di neutrini all’anno, ha detto Halzen.

La struttura ha già dato grandi contributi all’astronomia. Nel 2013, per esempio, IceCube ha fatto il primo rilevamento confermato di neutrini provenienti da oltre la galassia della Via Lattea. I ricercatori non sono stati in grado di individuare la fonte di queste particelle fantasma ad alta energia al momento.

Il 22 settembre 2017, tuttavia, IceCube ha rilevato un altro neutrino cosmico. Era estremamente energico, con circa 300 teraelettronvolt – quasi 50 volte più grande dell’energia dei protoni che circolano nel più potente acceleratore di particelle della Terra, il Large Hadron Collider.

Nel giro di un minuto dal rilevamento, la struttura ha inviato una notifica automatica, avvertendo altri astronomi della scoperta e trasmettendo le coordinate della zona di cielo che sembrava ospitare la fonte della particella.

La comunità ha risposto: Quasi 20 telescopi a terra e nello spazio hanno perlustrato quella zona attraverso lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio a bassa energia ai raggi gamma ad alta energia. Le osservazioni combinate hanno rintracciato l’origine del neutrino in un blazar già noto chiamato TXS 0506+056, che si trova a circa 4 miliardi di anni luce dalla Terra.

Per esempio, le osservazioni di follow-up da diversi strumenti – tra cui il Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA in orbita intorno alla Terra e il Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) nelle isole Canarie – hanno rivelato un potente scoppio di luce a raggi gamma che flaring da TXS 0506+056.

Il team di IceCube ha anche esaminato i suoi dati di archivio e ha trovato più di una dozzina di altri neutrini cosmici che sembrano provenire dallo stesso blazar. Queste particelle aggiuntive sono state raccolte dai rivelatori dalla fine del 2014 all’inizio del 2015.

“Tutti i pezzi si incastrano insieme”, ha detto Albrecht Karle, uno scienziato senior di IceCube e professore di fisica UW-Madison, in una dichiarazione. “Il bagliore di neutrini nei nostri dati di archivio è diventato una conferma indipendente. Insieme alle osservazioni degli altri osservatori, è una prova convincente per questo blazar di essere una fonte di neutrini estremamente energetici, e quindi di raggi cosmici ad alta energia.”

I risultati sono riportati in due nuovi studi pubblicati online oggi (12 luglio) sulla rivista Science. Li puoi trovare qui e qui.

Astrofisica multimessaggero in aumento

I blazar sono un tipo speciale di galassia attiva superluminosa che emette due getti di luce e particelle, uno dei quali è diretto verso la Terra. (Questo è in parte il motivo per cui le blazar ci appaiono così luminose – perché siamo sulla linea di fuoco del getto.)

Gli astronomi hanno identificato diverse migliaia di blazar in tutto l’universo, nessuno dei quali è stato ancora trovato a lanciare neutrini su di noi come TXS 0506+056.

“C’è qualcosa di speciale in questa sorgente, e dobbiamo capire cosa sia”, ha detto Halzen a Space.com.

Questa è solo una delle tante domande sollevate dai nuovi risultati. Per esempio, Halzen vorrebbe anche conoscere il meccanismo di accelerazione: come, esattamente, i blazar portano i neutrini e i raggi cosmici a velocità così elevate?

Halzen ha espresso ottimismo per rispondere a tali domande in un futuro relativamente prossimo, citando il potere dell'”astrofisica multimessaggero” – l’uso di almeno due diversi tipi di segnali per interrogare il cosmo – in mostra nei due nuovi studi.

La scoperta dei neutrini segue da vicino i tacchi di un altro punto di riferimento multimessaggero: Nell’ottobre 2017, i ricercatori hanno annunciato di aver analizzato una collisione tra due stelle di neutroni superdense osservando sia la radiazione elettromagnetica che le onde gravitazionali emesse durante il drammatico evento.

“L’era dell’astrofisica multimessaggero è qui”, ha detto il direttore NSF France Cordova nella stessa dichiarazione. “Ogni messaggero – dalla radiazione elettromagnetica, alle onde gravitazionali e ora ai neutrini – ci dà una comprensione più completa dell’universo e nuove importanti intuizioni sugli oggetti e sugli eventi più potenti del cielo.”

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