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La fabbrica delle particelle cosmiche

L’Universo brulica di raggi X, raggi gamma e neutrini, tutte particelle energetiche dalle origini in gran parte sconosciute. Secondo uno nuovo studio, elaborato dalla Tohoku University, i buchi neri a bassa attività sarebbero vere e proprie fabbriche di questi elementi e svelerebbero la sorgente delle misteriose particelle cosmiche. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.

I raggi gamma sono fotoni ad alta energia molto più energetici della luce visibile. I neutrini invece sono particelle subatomiche la cui massa è quasi nulla, che interagiscono raramente con la materia ordinaria. Secondo la maggior parte delle teorie, i buchi neri supermassicci attivi (i cosiddetti nuclei galattici attivi), in particolare quelli con getti potenti, sarebbero le fonti più promettenti di raggi gamma e neutrini ad alta energia. Tuttavia, alcuni studi recenti hanno evidenziato che questi buchi neri non rivelano con precisione le origini di tali particelle e che sono necessarie altre classi di sorgenti. 

Il modello elaborato dalla Tohoku mostra che sia i buchi neri attivi sia quelli non attivi sono importanti, poiché possono essere considerati vere e proprie miniere di raggi gamma e neutrini.  Nel dettaglio tutte le galassie contengono buchi neri supermassicci al centro. Quando la materia cade in un buco nero viene rilasciata un’enorme quantità di energia gravitazionale. Questo processo riscalda il gas, formando plasma ad alta temperatura. Quest’ultima, nel caso dei buchi neri a bassa attività, può raggiungere decine di miliardi di gradi a causa del raffreddamento inefficiente e il plasma può generare raggi gamma nell’intervallo dei megaelettronvolt.

Nel plasma i protoni possono essere accelerati a velocità circa 10.000 volte superiori a quelle raggiunte dal Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle creato dall’uomo. I protoni accelerati producono neutrini ad alta energia attraverso le interazioni con la materia e la radiazione. I buchi neri supermassicci, che includono sia i nuclei galattici attivi sia quelli non attivi, possono spiegare una grande frazione dei neutrini osservati dall’esperimento IceCube Neutrino Detector, rilevati in un’ampia gamma di energia.

I futuri programmi di per l’astronomia multi-messaggero saranno cruciali per identificare l’origine delle particelle cosmiche ad alta energia. La maggior parte dei rilevatori di raggi gamma esistenti non sono sintonizzati per rilevarle, ma i futuri esperimenti sui raggi gamma, insieme a quelli sui neutrini, saranno in grado di rilevare i segnali multi-messaggero con maggiore precisione. 

 

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