Una tale potenza è seconda solo al raggio cosmico rilevato il 15 ottobre del 1991 dall'esperimento Fly’s Eye dell’Università dello Utah, successivamente soprannominato Oh-My-God. Niente nella nostra galassia aveva il potenziale per produrre (3,2 ± 0,9) × 1020 eV (320 exa-elettronvolt o 320 milioni di TeV) e, in pratica, per gli scienziati la particella aveva più energia di quanto fosse teoricamente possibile per i raggi cosmici che viaggiano verso la Terra da altre galassie. Oggi, proprio come successe all'epoca, non siamo stati in grado di rintracciare la fonte di questa seconda particella altamente energetica.

"Le particelle hanno un'energia così elevata che non dovrebbero essere influenzate dai campi magnetici galattici ed extragalattici. Dovremmo essere in grado di indicare da dove provengono nel cielo", ha affermato il fisico John Matthews dell'Università dello Utah e membro della collaborazione Telescope Array che ha effettuato la scoperta. "Ma nel caso della particella Oh-My-God e di questa nuova particella, se ne traccia la traiettoria fino alla fonte e non [lì] c'è niente di abbastanza energetico per averla prodotta. Questo è il mistero: cosa diavolo sta succedendo?"

Il gruppo di ricerca, guidato dal fisico Toshihiro Fujii dell'Università Metropolitana di Osaka, ha chiamato il nuovo raggio cosmico altamente energetico Amaterasu, in onore della potente dea shintoista del Sole.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science.

 
Enigmi cosmici

I raggi cosmici sono echi di violenti eventi celesti, come le supernove e le collisioni stellari, che hanno ridotto la materia alle sue strutture subatomiche e l’hanno scagliata attraverso l’universo quasi alla velocità della luce. Essenzialmente i raggi cosmici sono particelle cariche con una vasta gamma di energie costituite da protoni positivi, elettroni negativi o interi nuclei atomici che viaggiano attraverso lo spazio e piovono sulla Terra quasi costantemente. Anche il Sole produce raggi cosmici a bassa energia. Tuttavia, nonostante questa chiara descrizione, la nostra comprensione di queste particelle energetiche è ancora incompleta.

Siamo in grado di rilevarle da oltre un secolo ma non abbiamo ancora un'idea chiara di tutti i diversi modi con cui vengono prodotte e si propagano nell'universo.

La nostra atmosfera è un buon guscio protettivo ed evita che queste particelle altamente energetiche raggiunga la superficie. Ma , fortunatamente, offre anche un modo per rilevarle.

Quando i raggi cosmici colpiscono l’atmosfera superiore della Terra, fanno esplodere il nucleo di ossigeno e azoto, generando molte particelle secondarie. Queste percorrono una breve distanza nell’atmosfera e ripetono il processo, costruendo una pioggia di miliardi di particelle secondarie che si disperdono in superficie, dove disponiamo di osservatori in grado di rilevarle. I rilevatori di superficie utilizzano una serie di strumenti che forniscono ai ricercatori informazioni su ciascun raggio cosmico; la tempistica del segnale mostra la sua traiettoria e la quantità di particelle cariche che colpiscono ciascun rilevatore rivela l’energia della particella primaria.

L’impronta dello sciame secondario è enorme il che significa che dobbiamo coprire una porzione di terreno piuttosto grande se vogliamo ricostruire l’evento con una certa precisione.
Il Telescope Array, guidato dall’Università dello Utah e dall’Università di Tokyo, è composto da 507 stazioni di rilevamento della superficie disposte in una griglia quadrata che copre 700 chilometri quadrati alla periferia di Delta, una città nello Utah, nella contea di Millard.

27 maggio 2021

Il 27 maggio 2021, il Telescope Array ha rilevato un segnale. L'evento ha attivato 23 rilevatori nella regione nord-occidentale dell'osservatorio, estendendosi su 48 chilometri quadrati e sembrava provenire dal Vuoto Locale, un'area vuota di spazio confinante con la Via Lattea.

Dopo aver eseguito calcoli, analisi e controlli e ancora controlli, gli scienziati hanno concluso che si è trattato di una particella su scala energetica analoga a Oh-My-God.

"Quando ho scoperto per la prima volta questo raggio cosmico ad altissima energia", ha detto Fujii, "ho pensato che ci fosse stato un errore, poiché mostrava un livello di energia senza precedenti negli ultimi tre decenni".

La scoperta, effettuata utilizzando una tecnica diversa da quella che ha rivelato la particella Oh-My-God e in una parte diversa del cielo, suggerisce che, sebbene rare, queste osservazioni rappresentano eventi astrofisici reali. Il rilevamento di Oh-My-God non è stato un colpo di fortuna, né un errore.

cosmic ray amaterasu

Il segnale registrato e l'animazione dell'evento della particella estremamente energetica, soprannominata "Amaterasu".
Crediti: Università metropolitana di Osaka

 

Un problema per l'astrofisica

La conferma che esistono dei raggi cosmici ad altissima energia significa che gli scienziati hanno un rebus da risolvere perché particelle come queste dovrebbero avere un limite distinto, noto come limite di Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK). Questo valore, che corrisponde a 5 x 1019 elettronvolt, l'energia massima che un protone può mantenere viaggiando su lunghe distanze prima che  perda energia a causa delle interazioni con con il fondo cosmico a microonde, cioè la radiazione elettromagnetica che permea l'intero universo. Le sorgenti candidate conosciute, come i nuclei galattici attivi o i buchi neri con dischi di accrescimento che emettono getti di particelle e tendono a trovarsi a più di 160 milioni di anni luce dalla Terra.

Eppure, nel caso di Oh-My-God o Amaterasu non è stata rilevata nessuna fonte in grado di produrre particelle così energetiche entro 160 milioni di anni luce dal Sistema Solare.

"Le cose che la gente considera energetiche, come le supernovae, non lo sono neanche lontanamente abbastanza energiche per questo", ha detto Matthews. "Sono necessarie enormi quantità di energia e campi magnetici molto elevati per confinare la particella mentre viene accelerata". E tracciare la linea che Amaterasu sembra aver percorso attraverso lo spazio riconduce a un vuoto cosmico. Evidentemente ci sta sfuggendo qualcosa, o forse queste particelle ci stanno indicando un fenomeno astrofisico mai visto prima.