Fenomeni cosmici non identificati: la scoperta dei raggi gamma di Fermi sorprende gli astronomi
Una scoperta inaspettata nel cielo
Il telescopio spaziale Fermi della NASA ha rivelato una sorprendente segnale di raggi gamma al di fuori della nostra galassia, potenzialmente collegato alle particelle cosmiche più energetiche e suggerendo nuovi fenomeni cosmici non ancora identificati. Gli astronomi, analizzando 13 anni di dati raccolti dal telescopio, hanno individuato una caratteristica inaspettata e ancora inspiegabile al di fuori della nostra galassia.
• Una scoperta inaspettata nel cielo
• Segnale di raggi gamma e mistero cosmico
• Indagine sullo sfondo di raggi gamma extragalattici
• Il dipolo dei raggi gamma sorprende i ricercatori
• Collegamento tra raggi gamma e raggi cosmici
“È stata una scoperta del tutto fortuita”, ha dichiarato Alexander Kashlinsky, cosmologo presso l’Università del Maryland e il Goddard Space Flight Center della NASA, che ha presentato la ricerca durante il 243° incontro della American Astronomical Society a New Orleans. “Abbiamo trovato un segnale molto più forte, e in una parte diversa del cielo, rispetto a quello che stavamo cercando”.
Segnale di raggi gamma e mistero cosmico
Il segnale di raggi gamma è stato trovato in una direzione simile e con una magnitudine quasi identica a un’altra caratteristica inspiegata, prodotta da alcune delle particelle cosmiche più energetiche mai rilevate. Un articolo che descrive le scoperte è stato pubblicato il 10 gennaio sulla rivista The Astrophysical Journal Letters .
Indagine sullo sfondo di raggi gamma extragalattici
Il team stava cercando una caratteristica dei raggi gamma legata al CMB (cosmic microwave background), la luce più antica dell’universo. Gli scienziati affermano che il CMB ha avuto origine quando l’universo caldo ed in espansione si è raffreddato abbastanza da formare i primi atomi, un evento che ha rilasciato un’esplosione di luce che, per la prima volta, ha potuto permeare il cosmo. Allungata dalla successiva espansione dello spazio negli ultimi 13 miliardi di anni, questa luce è stata rilevata per la prima volta sotto forma di deboli microonde in tutto il cielo nel 1965.
Struttura dipolare nel CMB
Negli anni ’70, gli astronomi si sono resi conto che il CMB aveva una cosiddetta struttura dipolare, che in seguito è stata misurata con alta precisione dalla missione COBE (Cosmic Background Explorer) della NASA. Il CMB è circa lo 0,12% più caldo, con più microonde della media, verso la costellazione del Leone, e più freddo della stessa quantità, con meno microonde della media, nella direzione opposta. Per studiare le piccole variazioni di temperatura all’interno del CMB, questo segnale deve essere rimosso. Gli astronomi generalmente considerano il modello come risultato del movimento del nostro sistema solare rispetto al CMB a circa 370 chilometri al secondo.
Questo movimento darà origine a un segnale dipolare nella luce proveniente da qualsiasi fonte astrofisica, ma finora il CMB è l’unico che è stato misurato con precisione. Cercando il modello in altre forme di luce, gli astronomi potrebbero confermare o mettere in discussione l’idea che il dipolo sia dovuto interamente al movimento del nostro sistema solare.
“Una tale misurazione è importante perché una discrepanza con le dimensioni e la direzione del dipolo del CMB potrebbe fornirci uno spaccato dei processi fisici operanti nell’universo molto primordiale, potenzialmente fino a quando aveva meno di un trilionesimo di secondo”, ha detto il coautore Fernando Atrio-Barandela, professore di fisica teorica presso l’Università di Salamanca in Spagna.
Il dipolo dei raggi gamma sorprende i ricercatori
Il team ha ragionato che sommando molti anni di dati dal LAT (Large Area Telescope) di Fermi, che scandisce l’intero cielo più volte al giorno, un modello di emissione dipolare correlato potrebbe essere rilevato nei raggi gamma. Grazie agli effetti della relatività, il dipolo dei raggi gamma dovrebbe essere amplificato fino a cinque volte rispetto al CMB attualmente rilevato.
Gli scienziati hanno combinato 13 anni di osservazioni del LAT di Fermi di raggi gamma sopra circa 3 miliardi di elettronvolt (GeV); per confronto, la luce visibile ha energie comprese tra circa 2 e 3 elettronvolt. Hanno rimosso tutte le fonti risolte e identificate e hanno eliminato il piano centrale della nostra galassia Via Lattea per analizzare lo sfondo di raggi gamma extragalattici.
“Abbiamo trovato un dipolo di raggi gamma, ma il suo picco si trova nel cielo meridionale, lontano dal CMB, e la sua magnitudine è 10 volte maggiore di quanto ci aspetteremmo dal nostro movimento”, ha detto il coautore Chris Shrader, astrofisico presso la Catholic University of America a Washington e presso il Goddard. “Anche se non è ciò che stavamo cercando, sospettiamo che possa essere correlato a una caratteristica simile segnalata per i raggi cosmici ad altissima energia”.
I raggi cosmici sono particelle cariche accelerate – per lo più protoni e nuclei atomici. Le particelle più rare e più energetiche, chiamate UHECR (raggi cosmici ad ultrahigh-energia), trasportano più di un miliardo di volte l’energia dei raggi gamma da 3 GeV, e le loro origini rimangono uno dei più grandi misteri dell’astrofisica.
Collegamento tra raggi gamma e raggi cosmici
Dal 2017, l’Osservatorio Pierre Auger in Argentina ha segnalato un dipolo nella direzione di arrivo degli UHECR. Essendo cariche elettricamente, i raggi cosmici vengono deviati dal campo magnetico della galassia in misura diversa a seconda delle loro energie, ma il dipolo degli UHECR raggiunge il picco in una posizione del cielo simile a quella che il team di Kashlinsky trova nei raggi gamma. E entrambi hanno magnitudini sorprendentemente simili – circa il 7% in più di raggi gamma o particelle rispetto alla media provenienti da una direzione e quantità corrispondentemente minori che arrivano dalla direzione opposta.
Gli scienziati ritengono che sia probabile che i due fenomeni siano collegati – che fonti ancora non identificate stiano producendo sia i raggi gamma che le particelle ad ultrahigh-energia. Per risolvere questo enigma cosmico, gli astronomi devono o localizzare queste misteriose fonti o proporre spiegazioni alternative per entrambe le caratteristiche.
Il telescopio spaziale Fermi Gamma-ray è una partnership di astrofisica e fisica delle particelle gestita dal Goddard. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, con importanti contributi da istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti.