27 Novembre 2023
17:30

Amaterasu, il secondo raggio cosmico più energetico mai registrato ha colpito la Terra

Un team di ricercatori ha annunciato la scoperta di Amaterasu, il secondo raggio cosmico più energetico di sempre. Proviene da una regione apparentemente vuota dello spazio, dunque non è chiaro cosa lo abbia prodotto né come.

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Amaterasu, il secondo raggio cosmico più energetico mai registrato ha colpito la Terra
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Rappresentazione artistica della cascata di particelle secondarie generate dall’arrivo in atmosfera di Amaterasu. Credits: A. Chantelauze/S. Staffi/L. Bret, CC BY–NC 4.0 DEED.

È stata annunciata recentemente sulla prestigiosa rivista Science la scoperta del secondo raggio cosmico più energetico mai rilevato dall'uomo, ribattezzato Amaterasu, la dea del Sole nella mitologia del Giappone. I raggi cosmici sono particelle altamente energetiche che arrivano sulla Terra dallo spazio; a seconda della loro velocità, i raggi cosmici possono possedere più o meno energia, quindi essere più o meno energetici. Il raggio cosmico Amaterasu, probabilmente un protone, aveva tanta energia quanto una pallina da golf che viaggia a una velocità di 150 km/h: può non sembrare molto, ma per una particella subatomica è un valore enorme.

L'energia di Amaterasu deriva dal fatto che il protone era stato accelerato a una velocità che differisce da quella della luce nel vuoto (300.000 km/s) di appena una parte su mille miliardi di miliardi. La particella sembra provenire da una regione di spazio in cui non c'è nessuna sorgente nota, continuando quindi a rendere i ricercatori completamente all'oscuro di quale possa essere stato il meccanismo fisico che ha accelerato il raggio cosmico a questa velocità.

A tale velocità, per effetto della relatività di Albert Einstein, la Terra dal punto di vista di Amaterasu risulta spessa solo un decimo di millimetro!

La particella Amaterasu è vicina al record di raggio cosmico più energetico mai rilevato, detenuto dalla particella soprannominata Oh-my-God, scoperta nel 1991, che possedeva un'energia 1,5 volte superiore a quella di Amaterasu.

La particella Amaterasu

La particella Amaterasu è stata rilevata il 27 maggio 2021 dal Telescope Array nello Utah, ma rivelata al grande pubblico solo il 23 novembre 2023 con un articolo su Science poiché soggetta a scrupolose analisi per accertarne l'esatta natura. Amaterasu è un esempio di raggio cosmico ultra-energetico, ovvero che possiede una energia superiore ai 5o miliardi di miliardi di elettronvolt (l'elettronvolt è una unità di misura dell'energia usata nell'ambito della fisica atomica e subatomica, equivalente all'energia necessaria a muovere un elettrone nel vuoto tra due punti con una differenza di potenziale di 1 volt). In particolare, l'energia di Amaterasu era di 240 miliardi di miliardi di elettronvolt. Tale valore è di poco inferiore ai 320 miliardi di miliardi di elettronvolt misurati per la particella Oh-my-God.

L'energia di Amaterasu è la stessa che possiede una pallina da golf che viaggia a 150 km/h. Detta così potrebbe non sembrare impressionante, ma lo diventa se si considera che l'energia cinetica, trascurando gli effetti relativistici, dipende dalla massa e dal quadrato della velocità. Se una pallina da golf pesa 45 grammi, un protone, il candidato più probabile di raggio cosmico per Amaterasu, ne pesa invece 2 miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di kg. Di conseguenza, un protone potrà avere la stessa energia di una pallina da golf a 150 km/h solo se ha una velocità incredibilmente alta, prossima a quella della luce. Nel caso di Amaterasu, la sua velocità era circa il 99,9999999999999999% della velocità della luce!

Utilizzando i dati del Telescope Array, i ricercatori sono riusciti a localizzare la direzione di provenienza di Amaterasu, che sembra essere quella del cosiddetto Vuoto Locale, una vasta regione di spazio particolarmente vuota adiacente al Gruppo Locale di galassie di cui fa parte la nostra Via Lattea. In questa regione non esistono sorgenti note in grado di accelerare un protone fino alle energie di Amaterasu, e ancor peggio, non sono noti meccanismi fisici che possano accelerare così tanto una particella. Ecco perché gli scienziati hanno proposto varie ipotesi che vanno oltre la fisica nota, come stringhe cosmiche o fratture dello spazio-tempo. Purtroppo le energie di particelle come Amaterasu non possono essere riprodotte in laboratorio, dal momento che sono decine di milioni di volte superiori a quelle prodotte dagli acceleratori di particelle più energetici sulla Terra.

Cosa sono i  raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle provenienti dallo spazio altamente energetiche costituite prevalentemente da protoni e nuclei atomici che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce. I raggi cosmici sono prodotti da diverse sorgenti astrofisiche, sia vicine come il Sole, che più lontane come le supernovae o i getti relativistici prodotti dai buchi neri super-massicci. A seconda della sorgente astrofisica che li produce, i raggi cosmici possono avere un grande varietà di energie. Quelli meno energetici sono emessi dalle sorgenti prima menzionate, mentre quelli ultra-energetici come Amaterasu e Oh-my-God sfidano le leggi note delle fisica, dal momento che non si conosce un meccanismo in grado di produrle. Maggiore è l'energia di una particella, minore sarà la quantità di raggi cosmici che arrivano sulla Terra per unità di area, tanto è vero che per particelle come Amaterasu il tasso di arrivo è inferiore a una particella all'anno per chilometro quadrato.

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Rappresentazione artistica di un raggio cosmico prodotto dal getto relativistico di un buco nero. Credits: HAP / A. Chantelauze, CC BY–NC–SA 4.0.

Comprendere con esattezza quale sia la sorgente che ha causato l'emissione di un raggio cosmico non è semplice: i raggi cosmici sono particelle dotate di carica elettrica e quindi sono soggette a interazioni con i campi elettromagnetici presenti nell'universo. Per esempio, i raggi cosmici meno energetici vengono deviati dai campi magnetici della nostra Galassia, oppure dall'interazione con la radiazione cosmica di fondo. Particelle come Amaterasu, invece, sono talmente energetiche che l'effetto di deviazione dovuto ai campi magnetici e alla radiazione cosmica di fondo è trascurabile, per cui la direzione da cui sembrano provenire in cielo è esattamente quella da cui sono stati emessi.

Come si rilevano i raggi cosmici?

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L’impatto di un raggio cosmico energetico con gli atomi dell’atmosfera genera una cascata di particelle secondarie che vengono catturate dai rilevatori di raggi cosmici al suolo. Credits: http://astro.uchicago.edu/cosmus/projects/aires, CC BY 2.5, via Wikimedia Commons.

I rilevatori di raggi cosmici sulla Terra, come il Telescope Array con cui è stata scoperta Amaterasu, non rilevano direttamente un raggio cosmico, ma lo fanno indirettamente attraverso la pioggia di particelle che essi generano interagendo con gli atomi nell'atmosfera. Quando un raggio cosmico colpisce un nucleo di ossigeno o azoto nell'atmosfera terrestre superiore si genera una serie di particelle secondarie che a loro volta colpiscono altri atomi in atmosfera generando una cascata di particelle secondarie che colpisce i rilevatori sulla superficie terrestre.

Dato l'alto numero di particelle prodotte, per poterle catturare tutte c'è bisogno di costruire rilevatori che coprano un'area molto grande, di diversi chilometri quadrati. Ogni rilevatore possiede una strumentazione che fornisce informazioni sul tempo di arrivo e l'energia di ogni particella e sulla quantità di particelle che arrivano al secondo. Con queste informazioni, gli scienziati sono in grado di ricostruire sia la direzione di provenienza del raggio cosmico che ha creato la cascata di particelle, sia la sua energia poiché è strettamente correlata al tipo, alla quantità e all'energia delle particelle secondarie prodotte.

Per raggi cosmici ultra-energetici come Amaterasu la cascata di particelle si distribuisce su di un'area molto ampia dal momento che essi rilasciano una quantità di energia immensa in atmosfera. È per questo che è attualmente in programma una estensione del Telescope Array che arriverà a coprire un'area di 2900 chilometri quadrati, poco inferiore a quella della Valle d'Aosta.

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