Per decenni, gli scienziati si sono interrogati su una brusca curva nello spettro energetico dei raggi cosmici, nota come “ginocchio”, pari a circa 3 PeV (peta-elettronvolt). Ora, i risultati rivoluzionari del Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) confermano che i potenti acceleratori di particelle all’interno dei sistemi di buchi neri – in particolare, i micro-quasar – sono la probabile fonte di questo fenomeno cosmico. Questa scoperta non solo risolve un mistero di vecchia data, ma rivela anche il ruolo fondamentale che i buchi neri svolgono nel modellare i raggi cosmici ad alta energia all’interno della nostra galassia.
Il puzzle vecchio di decenni del ginocchio del raggio cosmico
I raggi cosmici, particelle ad alta energia che bombardano la Terra dallo spazio, mostrano uno spettro in cui il numero di particelle diminuisce con l’aumentare dell’energia. Tuttavia, a circa 3 PeV, lo spettro assume una distinta forma a “ginocchio”, un improvviso calo del numero di particelle. La causa di questo brusco cambiamento è rimasta sconosciuta per quasi 70 anni, con teorie che puntavano a limitazioni nei processi di accelerazione astrofisica.
La svolta di LHAASO: Micro-Quasars come acceleratori cosmici
Studi recenti, pubblicati su National Science Review e Science Bulletin, dimostrano che i micro-quasar, sistemi binari in cui un buco nero accumula materiale da una stella compagna, sono in grado di accelerare le particelle fino alle energie PeV. LHAASO ha rilevato sistematicamente raggi gamma ad altissima energia da cinque micro-quasar: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 e Cygnus X-1.
Si è scoperto che la radiazione ad altissima energia proveniente dalla SS 433 si sovrappone a una gigantesca nuvola atomica, indicando che i protoni ad alta energia vengono accelerati dal buco nero e si scontrano con la materia circostante. L’energia dei protoni in questo sistema superava 1 PeV, con una potenza totale equivalente a quattro trilioni di bombe all’idrogeno che detonano al secondo. V4641 Sgr ha mostrato un’energia di raggi gamma che raggiunge 0,8 PeV, rendendolo un altro “super acceleratore di particelle PeV”.
Perché i resti di supernova non sono sufficienti
Storicamente, i resti di supernova erano considerati la fonte primaria di raggi cosmici. Tuttavia, studi osservazionali e teorici hanno dimostrato che non hanno l’energia per accelerare le particelle fino ai livelli di PeV e oltre. Le scoperte di LHAASO confermano che i microquasar colmano questa lacuna, fornendo le capacità di accelerazione necessarie per produrre la componente ad alta energia dei raggi cosmici.
La sfida di misurare gli spettri dei raggi cosmici
Misurare con precisione gli spettri energetici dei raggi cosmici, in particolare dei protoni, è estremamente difficile. La regione del “ginocchio” è scarsa, il che rende il rilevamento simile a quello di un ago in un pagliaio. Le misurazioni a terra sono complicate dall’interferenza atmosferica, che rende difficile distinguere i protoni dagli altri nuclei. LHAASO ha superato queste sfide sfruttando la sua attrezzatura di osservazione avanzata e sviluppando tecniche di misurazione multiparametrica.
Acceleratori multipli modellano il paesaggio dei raggi cosmici
I risultati di LHAASO, combinati con i dati degli esperimenti spaziali AMS-02 e DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), rivelano un quadro complesso. La galassia contiene più acceleratori, ciascuno con le proprie capacità e gamma di energia uniche. Il “ginocchio” rappresenta il limite di accelerazione delle sorgenti responsabili della generazione della componente ad alta energia, con i microquasar che svolgono un ruolo cruciale.
Collegamento dei buchi neri al ginocchio dei raggi cosmici
Il design ibrido dell’array di rivelatori di LHAASO consente il rilevamento di sorgenti di raggi cosmici attraverso raggi gamma ad altissima energia, consentendo al tempo stesso la misurazione precisa delle particelle di raggi cosmici. Questo approccio fornisce informazioni sulle capacità di accelerazione delle sorgenti alle energie PeV e sulle caratteristiche spettrali che contribuiscono ai raggi cosmici. Per la prima volta, la struttura del “ginocchio” è stata collegata in modo osservativo a un tipo specifico di sorgente astrofisica: il sistema a getto del buco nero.
Una svolta cinese nella ricerca sui raggi cosmici
LHAASO, progettato, costruito e gestito da scienziati cinesi, ha preso l’iniziativa nella ricerca sui raggi cosmici ad alta energia grazie alla sua sensibilità sia nell’astronomia dei raggi gamma che nella misurazione di precisione dei raggi cosmici. La sua serie di scoperte ha avuto un impatto globale, contribuendo alla nostra conoscenza dei processi fisici estremi nell’universo.
In conclusione, i risultati di LHAASO forniscono la prova definitiva che i sistemi di buchi neri, in particolare i micro-quasar, sono la fonte primaria di raggi cosmici ad alta energia responsabili del “ginocchio” nello spettro energetico. Questa scoperta non solo risolve un mistero vecchio di decenni, ma stabilisce anche un legame fondamentale tra i buchi neri e l’estrema accelerazione delle particelle che si verifica nella nostra galassia.
