I raggi cosmici forniscono uno dei nostri pochi campioni diretti di materia dall’esterno del sistema solare. Sono particelle ad alta energia che si muovono attraverso lo spazio quasi alla velocità della luce. La maggior parte dei raggi cosmici sono nuclei atomici spogliati dei loro atomi con protoni (nuclei di idrogeno) che sono il tipo più abbondante, ma sono stati misurati nuclei di elementi pesanti come il piombo. All’interno dei raggi cosmici però troviamo anche altre particelle subatomiche come neutroni, elettroni e neutrini.
Siccome i raggi cosmici sono protoni o nuclei caricati positivamente, o elettroni caricati negativamente, i loro percorsi attraverso lo spazio possono essere deviati dai campi magnetici (ad eccezione dei raggi cosmici di più alta energia). Durante il loro viaggio verso la Terra, i campi magnetici della galassia, del sistema solare e della Terra rimescolano i loro percorsi di volo così tanto che non possiamo più sapere esattamente da dove vengono. Ciò significa che dobbiamo determinare la provenienza dei raggi cosmici con mezzi indiretti.
Perché i raggi cosmici portano carica elettrica, la loro direzione cambia mentre viaggiano attraverso i campi magnetici. Quando le particelle ci raggiungono, i loro percorsi sono completamente stravolti, come mostrato dal percorso blu. Non possiamo risalire alle loro fonti. La luce viaggia verso di noi direttamente dalle loro fonti, come mostrato dal percorso viola. (Credit: NASA Goddard Space Flight Center)
Un modo per conoscere i raggi cosmici è studiare la loro composizione. Di cosa sono fatti? Che frazione sono elettroni? protoni (spesso indicati come nuclei di idrogeno)? nuclei di elio? altri nuclei di elementi della tavola periodica? Misurare la quantità di ogni elemento diverso è relativamente facile, poiché le diverse cariche di ogni nucleo danno firme molto diverse. Più difficile da misurare, ma un’impronta migliore, è la composizione isotopica (nuclei dello stesso elemento ma con un diverso numero di neutroni). Per distinguere gli isotopi si tratta, in effetti, di pesare ogni nucleo atomico che entra nel rivelatore di raggi cosmici.
Tutti gli elementi naturali della tavola periodica sono presenti nei raggi cosmici. Questo include elementi più leggeri del ferro, che sono prodotti nelle stelle, ed elementi più pesanti che sono prodotti in condizioni violente, come una supernova alla fine della vita di una stella massiccia.
Il Cosmic Ray Isotope Spectrometer (CRIS – la scatola a sinistra del veicolo spaziale, con un’etichetta gialla) sul veicolo spaziale Advanced Composition Explorer (ACE) fornisce misure degli isotopi dei nuclei di raggi cosmici galattici che vanno dall’elio allo zinco. ACE è stato lanciato nell’agosto 1997. (Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)
Le differenze dettagliate nelle loro abbondanze possono parlarci delle sorgenti di raggi cosmici e del loro viaggio attraverso la galassia. Circa il 90% dei nuclei dei raggi cosmici sono idrogeno (protoni), circa il 9% sono elio (particelle alfa), e tutto il resto degli elementi costituiscono solo l’1%. Anche in questo 1% ci sono elementi e isotopi molto rari. Gli elementi più pesanti del ferro sono significativamente più rari nel flusso dei raggi cosmici, ma misurandoli si ottengono informazioni critiche per capire il materiale di origine e l’accelerazione dei raggi cosmici
SuperTIGER appeso al veicolo di lancio poco prima del lancio del dicembre 2012 con il Monte Erebus sullo sfondo. SuperTIGER è uno strumento per i raggi cosmici che misura i raggi cosmici più pesanti del ferro per esplorare la fonte dei raggi cosmici e i loro siti di accelerazione. Il primo volo di SuperTIGER è durato 55 giorni, un record di durata per un carico utile scientifico antartico a lunga durata su pallone. (Credit: Ryan Murphy/Washington University)
Anche se non possiamo ricondurre i raggi cosmici direttamente a una fonte, possono comunque dirci qualcosa sugli oggetti cosmici. La maggior parte dei raggi cosmici galattici sono probabilmente accelerati nelle onde di esplosione dei resti di supernova. I resti delle esplosioni che espandono le nubi di gas e il campo magnetico possono durare per migliaia di anni, ed è qui che i raggi cosmici vengono accelerati. Rimbalzando avanti e indietro nel campo magnetico dei resti, alcune particelle guadagnano energia e diventano raggi cosmici. Alla fine accumulano abbastanza velocità che il resto non può più contenerli, e fuggono nella galassia.
I raggi cosmici accelerati nei resti di supernova possono raggiungere solo una certa energia massima, che dipende dalla dimensione della regione di accelerazione e dalla forza del campo magnetico. Tuttavia, i raggi cosmici sono stati osservati ad energie molto più alte di quelle che i resti di supernova possono generare, e da dove provengono queste energie ultra-alte è una grande domanda aperta in astronomia. Forse provengono dall’esterno della galassia, da nuclei galattici attivi, quasar o lampi di raggi gamma. O forse sono la firma di qualche nuova fisica esotica: superstringhe, materia oscura esotica, neutrini fortemente interagenti, o difetti topologici nella struttura stessa dell’universo. Domande come queste legano l’astrofisica dei raggi cosmici alla fisica delle particelle di base e alla natura fondamentale dell’universo.
Confinato da un campo magnetico nei resti di supernova, le particelle ad alta energia si muovono in modo casuale. A volte attraversano l’onda d’urto. Con ogni viaggio di andata e ritorno, guadagnano circa l’1% della loro energia originale. Dopo decine o centinaia di attraversamenti, la particella si muove vicino alla velocità della luce ed è finalmente in grado di fuggire. (Credit: NASA Goddard Space Flight Center)
Testo aggiornato: Luglio 2017