I raggi cosmici sono particelle (principalmente protoni e nuclei) accelerate a velocità paragonabili a quella della luce, che viaggiano attraverso la nostra Galassia e bombardano costantemente l’atmosfera terrestre. Essendo particelle cariche, i loro percorsi sono fortemente alterati dal campo magnetico della nostra Galassia. Non è quindi possibile risalire alla loro origine, cioè alla fonte energetica che li ha accelerati. Ma quando questi raggi cosmici si scontrano con il gas all’interno o in prossimità delle loro sorgenti, producono un bagliore di raggi gamma, la luce più energetica. Per decenni abbiamo pensato che le supernovae, le esplosioni che pongono fine alla vita delle stelle più massicce, siano I siti astrofisici nascosti che accelerano i raggi cosmici. Infatti, Fermi aveva precedentemente scoperto come i resti di alcune supernove possono accelerare le particelle fino a energie estreme [1]. Ma il puzzle non è completo: solo pochissimi resti di supernova possono farlo, e non possono accelerare tutti i raggi cosmici che rileviamo sulla Terra. Quindi, ancora oggi, l’origine cosmica galattica rimane un tema scottante. Una possibile spiegazione proposta dai teorici è che le condizioni fisiche ideali si verificano solo per pochi giorni o settimane dopo l'esplosione. Sfortunatamente, solo 2 o 3 supernovae esplodono ogni secolo nella Via Lattea, e saremo in grado di vedere solo un bagliore di raggi gamma con i rilevatori di raggi gamma più sensibili per le galassie appena oltre il confine del nostro vicinato galattico.

Il 18 maggio 2023, però, siamo stati fortunati. L’esplosione di una supernova (SN 2023ixf) è avvenuta nelle vicinanze, nella Galassia Girandola, una galassia a spirale distante “soli” 22 milioni di anni luce dalla nostra. Questa è la supernova più vicina derivante dalla morte di una stella massiccia dall'inizio della missione Fermi 15 anni fa. Abbiamo quindi la prima opportunità di testare sperimentalmente come i raggi cosmici vengano accelerati entro una settimana dopo un'esplosione. E per quanto sappiamo sugli stadi iniziali di una supernova, a quella distanza avremmo dovuto rilevare un bagliore energetico brillante... ma non abbiamo trovato alcun segnale di raggi gamma nel rilevatore del Large Area Telescope a bordo di Fermi!  Come può essere?

Una supernova dovrebbe convertire circa il 10% della propria energia in raggi cosmici, ma combinando le nostre osservazioni con i risultati di telescopi ottici come il telescopio spaziale Hubble abbiamo scoperto sorprendentemente che non può essere più grande dell'1%. Abbiamo quindi esplorato diversi ingredienti fisici mancanti nel nostro modello che possono spiegare tale differenza e abbiamo trovato solo due possibili ragioni: (1) o l'esplosione e la distribuzione del gas attorno ad essa sono altamente asimmetriche e pertanto non sferiche, oppure (2) non riusciamo a comprendere le condizioni di shock nelle prime fasi delle supernovae. Di conseguenza, il nostro lavoro[2] con Fermi fornisce un nuovo, fortunato percorso verso la risoluzione se queste esplosioni siano o meno il pezzo mancante nel puzzle dell’origine dei raggi cosmici galattici.

Per maggiori informazioni:

Guillem Martí-Devesa and Giacomo Principe
Dipartimento di Fisica, Università di Trieste e INFN, sezione di Trieste

e-mail: guillem.marti-devesa@ts.infn.it, giacomo.principe@ts.infn.it

[1] https://www.nasa.gov/universe/nasas-fermi-confirms-star-wreck-as-source-of-extreme-cosmic-particles/

[2] https://aanda.org/10.1051/0004-6361/202349061

Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center