Acceleratori cosmici osservati da Fermi

Il satellite Fermi, lanciato l’11 giugno del 2008, è una missione della NASA realizzata anche grazie al contributo italiano; in particolare il cuore del rivelatore di fotoni di altissima energia di Fermi, il LAT ( Large Area Telescope), costruito in Italia dagli scienziati dell’INFN, è lo strumento grazie al quale è stata possibile questa scoperta, vediamone i dettagli.

Lo studio ha esaminato ciò che resta di due supernovae, cataclismi che avvengono nel cosmo quando una stella di grande massa esplode al termine della sua vita, scagliando nello spazio profondo particelle, elementi chimici, onde gravitazionali e producendo un’onda d’urto violentissima. La teoria più accreditata prevede che questa onda, quando incontra i densi strati di materia (nubi molecolari) che si trovano nelle vicinanze dell’evento, inneschi il meccanismo di accelerazione delle particelle ( in particolare i protoni) già previsto in forma semplificata dal fisico Enrico Fermi più di 60 anni fa e che è all’origine delle altissime energie raggiunte dai raggi cosmici. I protoni però non solo vengono accelerati ad altissima velocità ed energia, come avviene nell ’acceleratore di particelle LHC al CERN di Ginevra, ma collidono fra di loro dando origine ad una cascata di particelle secondarie.

Finora mancavano prove dirette di questo meccanismo, da tempo ipotizzato, ma il Large Area Telescope a bordo di Fermi lo ha confermato migliorando quanto era già stato rivelato dal satellite dell’ASI AGILE. Quando i protoni si scontrano, infatti, producono fra le altre, anche una particella senza carica elettrica chiamata pione neutro. Questa particella decade immediatamente emettendo coppie di fotoni con una distribuzione di energia caratteristica. Proprio studiando i fotoni provenienti dai resti delle supernovae, i ricercatori di Fermi sono riusciti a trovare una quantità significativa di questi fotoni con la distribuzione in energia tipica del decadimento del pione neutro e questa sarebbe la “firma” delle collisioni protone-protone ad alta energia e quindi dell’acceleratore celeste.

“E’ uno dei risultati più attesi ed importanti degli ultimi venti anni per la astrofisica delle alte energie e per la fisica astroparticellare – afferma Ronaldo Bellazzini coordinatore per l’INFN del gruppo di scienziati italiani di Fermi – Abbiamo ora l’evidenza diretta che la nostra galassia è popolata da una moltitudine di macchine acceleratrici in grado di portare i raggi cosmici ad energie cosi elevate che neppure potremmo immaginare di raggiungere con i nostri acceleratori terrestri. Queste ‘macchine’ cosmiche sono potenti laboratori per studiare fenomeni altrimenti inaccessibili con gli strumenti che l’uomo può pensare di costruire sulla terra”.

“E’ interessante notare che il lavoro tratta di due resti di supernova che offrono condizioni ottimali per la rivelazione dei raggi cosmici perché il guscio di materia espulsa dalla stella si sta espandendo contro una nube di gas e polveri che offre i bersagli per fare interagire i protoni accelerati – aggiunge Patrizia Caraveo, responsabile INAF per il satellite Fermi.

“E’ una grande conferma della scoperta del satellite AGILE pubblicata l’anno scorso da Giuliani et al. di emissione gamma da pioni neutri prodotti da raggi cosmici accelerati nella supernova W44” sottolinea Marco Tavani, dell’INAF, Principal Investigator del satellite AGILE. “E’ un risultato di straordinaria importanza per la scienza italiana che segue la tradizione di Enrico Fermi. Sono sicuro che sarebbe contento di noi, se potesse vedere questi risultati che finalmente, dopo molti decenni sono arrivati”.

Lo studio, frutto di una vasta collaborazione internazionale, è pubblicato sulla rivista scientifica Science del 15 febbraio, anche a firma di numerosi ricercatori italiani dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell’Agenzia Spaziale Italiana attraverso ASI Science Data Center ASDC.

Immagine Greg Stewart, SLAC