Neutrini dallo spazio e non solo
Il 22 settembre 2017 l’esperimento IceCube vede per la prima volta un neutrino di alta energia in coincidenza nel tempo e nello spazio con un segnale di un raggio gamma emesso da un blazar: si tratta di un nuovo fondamentale passo avanti nell’epoca della fisica multimessaggero.
Ma facciamo un passo indietro e cerchiamo di capire cosa significa tutto questo.
Questa ricerca parte da alcune domande che i ricercatori si sono posti su quelli che prendono il nome di raggi cosmici: si tratta di particelle cariche che viaggiano nell’universo e piovono continuamente sulla terra (ma sono assolutamente innocue, ci attraversano senza causare danni). Queste particelle, in quanto cariche, interagiscono con lo spazio che attraversano, in particolare possono essere deviate dai campi magnetici che incontrano lungo il loro cammino: per questo motivo risulta estremamente difficile capire da dove provengono e cosa le ha prodotte, soprattutto se si tratta di raggi cosmici provenienti da galassie molto lontane.
È qui che ci vengono in aiuto i neutrini. Si tratta di particelle fondamentali, ovvero che non sono costituite da particelle più piccole, con una massa piccolissima (secondo la teoria del Modello Standard dovrebbero avere massa nulla, ma in realtà gli esperimenti mostrano che sono massivi, per quanto molto leggeri; questo sarebbe uno dei motivi per cui il Modello Standard in realtà non è una teoria perfetta, come accennavo nel primo articolo della rubrica). Oltre ad essere così leggeri i neutrini (nomen omen) sono neutri, privi di carica elettrica, quindi viaggiano praticamente indisturbati lungo la loro traiettoria senza essere deviati da nulla, a differenza delle particelle cariche. Questi neutrini vengono sempre generati insieme ai raggi cosmici, di conseguenza se osservati possono darci le informazioni necessarie per individuare la loro sorgente, anche se molto lontana.
È proprio questo quello che ha visto IceCube, un osservatorio di un chilometro cubo situato nei ghiacci del Polo Sud creato appositamente per rivelare neutrini con lo scopo di ottenere informazioni riguardo a eventi astrofisici. Analizzando i dati acquisiti dall’esperimento, i ricercatori hanno notato un’anomalia rispetto ai valori tipici del fondo, rappresentati dal flusso di neutrini atmosferici di bassa energia, e hanno individuato la presenza di un solo neutrino rivelato da IceCube con un’energia molto alta (pari a 290 TeV, circa 40 volte l’energia dei protoni accelerati nell’anello del CERN), indice della sua provenienza extragalattica. Dalla direzione della traiettoria del neutrino, l’osservatorio ha selezionato una porzione di cielo in cui necessariamente si sarebbe dovuta trovare la sorgente dell’evento e ha chiesto aiuto ad altri esperimenti per poterla individuare in modo più accurato. Il primo esperimento a rispondere alla richiesta è stato il Fermi Gamma-Ray Space Telescope, un satellite della NASA in grado di rivelare raggi gamma, un tipo di radiazione molto simile alla luce ma estremamente più energetica. Fermi aveva osservato un segnale gamma proprio in coincidenza con quello del neutrino di IceCube e la sorgente sembrava essere il blazar TXS 0506+056. Successivamente a sostegno di questa ipotesi sono arrivati i dati di una decina di altri esperimenti, tra i principali Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) Telescopes, e si è definitivamente confermata l’identificazione della sorgente del neutrino e dei raggi gamma con questo blazar distante dalla terra 4,5 miliardi di anni luce.
Cos’è però un blazar? Si tratta di un’enorme galassia ellittica che ha al suo centro un buco nero molto massivo e che ruota su se stesso a velocità estremamente alta, tanto da produrre due getti in direzioni opposte di luce e particelle elementari con energia elevatissima, come il neutrino osservato da IceCube.
L’osservatorio dei ghiacci, dopo la rivelazione del neutrino ultraenergetico, ha poi analizzato i dati acquisiti negli ultimi 9 anni e mezzo confrontandoli con i segnali di raggi gamma di altri 14 esperimenti e ha riscontrato la presenza di eventi simili, 13 neutrini di alta energia registrati tra il 2012 e il 2015, sempre con la stessa direzione di quello osservato lo scorso anno, quindi sempre provenienti dal blazar identificato come sorgente.
Oltre a trattarsi della prima osservazione in assoluto di neutrini emessi da un blazar, come si diceva nell’introduzione, si parla di una nuova faccia dell’astrofisica multimessaggero, che basa i suoi studi sulla rivelazione di eventi attraverso diversi tipi di segnale acquisiti da strumenti ed esperimenti diversi. È un ramo dell’astrofisica molto giovane, nato in seguito alla sensazionale prima rivelazione delle onde gravitazionali prodotte nella fusione di buchi neri, in particolare quando nell’agosto 2017 si sono osservate le onde gravitazionali prodotte da due stelle di neutroni, questa volta non solo attraverso gli interferometri appositamente costruiti ma anche con onde elettromagnetiche prodotte dall’evento e viste dai telescopi più classici.
Nel nostro caso, invece, i multimessaggeri coinvolti sono i neutrini di IceCube e i raggi gamma visti dai telescopi a terra e nello spazio; grazie ad essi è stato possibile individuare l’evento extragalattico e identificare il blazar come la sua sorgente misurando l’energia e valutando la direzione di provenienza dei diversi segnali.