Sin dalla scoperta della radiazione cosmica da parte di Victor Hess nel 1912, gli astronomi hanno ritenuto che i corpi celesti nella nostra galassia, responsabili dell'accelerazione di particelle fino alle energie più elevate,  fossero i resti di gigantesche esplosioni di supernova. Tuttavia, un quadro diverso emerge dagli ultimi dati dell'osservatorio High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory (HAWC), in base ai quali le fonti di radiazione di energie estremamente elevate risultano essere le microquasar. Questi risultati cambiano radicalmente la nostra comprensione dei meccanismi responsabili della formazione di radiazioni cosmiche ad altissima energia e segna una rivoluzione in questo campo di studi.

HAWC è un osservatorio di raggi cosmici e raggi gamma che funziona 24 ore su 24. È situato  sul pendio del vulcano Sierra Negra in Messico con l'obiettivo di registrare particelle e fotoni in arrivo dallo spazio a energie particolarmente elevate. La struttura è composta da 300 serbatoi d'acqua in acciaio ciascuno riempito con circa 200 tonnellate d'acqua, incastonati tra due picchi vulcanici dormienti in Messico, a più di 4.000 metri sopra il livello del mare. Da questo punto di osservazione, può registrare cosa succede quando i raggi gamma colpiscono l'atmosfera. Tali collisioni creano quelli che vengono chiamati "sciami d'aria", esplosioni di particelle impercettibili ad occhio nudo. L'energia del raggio gamma originale viene liberata e ridistribuita tra nuovi frammenti del fascio, costituiti da altre particelle con energie inferiori e luce. Quando le particelle di questa sorta di doccia interagiscono con l'acqua nelle vasche dell'HAWC, creano quella che è nota come radiazione Cherenkov che può essere rilevata con gli strumenti dell'osservatorio.

In genere, l'HAWC cattura fotoni gamma con energie che vanno da centinaia di gigaelettronVolt a centinaia di teraelettronVolt. Si tratta di energie fino a un trilione di volte maggiori dell'energia dei fotoni della luce visibile e oltre una dozzina di volte maggiori dell'energia dei protoni accelerati all'acceleratore Large Hadronic Collider (LHC).

Lo studio, guidato dagli astrofisici dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia, è stato pubblicato sulla rivista Nature.

 

Quasar e microquasar

Situati nei nuclei di altre galassie, le quasar (QUASi-stellAR radio source, cioè "radiosorgente quasi stellare") sono tra gli oggetti più distanti conosciuti e sono associati a buchi neri supermassicci (diversi milioni di masse solari). Il più vicino (Markarian 231) si trova a 600 milioni di anni luce dalla Terra. Le microquasar, invece, sono sistemi binari compatti, costituiti da una stella massiccia e dal buco nero di massa stellare che assorbe materia, talvolta chiamate "binarie a raggi X a getto radio". Emettono getti lunghi centinaia di anni luce e finora ne sono state individuate diverse decine nella Via Lattea.

"I fotoni rilevati dalle microquasar hanno solitamente energie molto più basse di quelli dei quasar. Di solito, parliamo di valori dell'ordine di decine di gigaelettronvolt. Tuttavia, abbiamo osservato qualcosa di abbastanza incredibile nei dati registrati dai rilevatori dell'osservatorio HAWC: fotoni provenienti da una microquasar che si trova nella nostra galassia, e tuttavia trasportano energie decine di migliaia di volte superiori a quelle tipiche", afferma la dott. ssa Sabrina Casanova (IFJ PAN), che, insieme alla dott. ssa Xiaojie Wang della Michigan Tech University e alla dott. ssa Dezhi Huang dell'Università del Maryland, è stata la prima a osservare l'anomalia.

La fonte di fotoni con energie fino a 200 teraelettronVolt è stata individuata nella microquasar V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), che si trova sullo sfondo della costellazione del Sagittario, a una distanza di circa 20.000 anni luce dalla Terra. Il ruolo principale qui è svolto da un buco nero con una massa di circa sei messe solari, che attira materia dal gigante compagno stellare avente una massa pari a tre volte quella del Sole. Gli oggetti orbitano attorno a un centro di massa comune, girando l'uno attorno all'altro in poco meno di tre giorni.


Getti diretti

Il getto emesso dal sistema V4641 Sgr è diretto verso il Sistema Solare. In questa configurazione, un osservatore terrestre ha una percezione relativisticamente distorta del tempo della materia all'inizio e alla fine del getto, con il suo fronte che appare più giovane di quanto non sia in realtà. Di conseguenza, il getto sembra propagarsi nello spazio a velocità superluminale, nel caso presente fino a nove volte la velocità della luce.

"La microquasar V4641 Sgr risulta non essere unico. Altri fotoni estremamente energetici vengono rilevati non solo da questo ma anche da altre microquasar, dall'osservatorio LHAASO. Sembra quindi probabile che le microquasar contribuiscano in modo significativo alla radiazione dei raggi cosmici alle energie più elevate nella nostra galassia", aggiunge il dott. Casanova.

La scoperta dimostra che relativamente vicino alla Terra, i meccanismi di formazione dei getti e di produzione di fotoni ultra-energetici devono essere all'opera in modo analogo a quelli nei nuclei delle galassie attive e distanti, dimensionati in base alla massa del buco nero. Questi processi nelle microquasar avvengono su una scala temporale molto più adatta all'uomo, nell'arco di giorni, non di centinaia di migliaia o milioni di anni.

Inoltre, i fotoni emessi dalle microquasar non devono farsi strada attraverso i milioni di anni luce del vuoto cosmico, dove possono essere dispersi o assorbiti durante le interazioni con i fotoni dell'onnipresente radiazione cosmica di fondo. Ciò significa che gli astrofisici possono osservare questi processi, praticamente indisturbati.