Su un inospitale altopiano della Cina occidentale, ai margini del deserto del Gobi, è in costruzione uno strano osservatorio. Distribuite su un’area enorme, diecimila antenne wireless cablate alte circa cinque metri dovrebbero essere qui in pochi anni. Tredici sono ora stabiliti; Il responsabile del progetto Charles Timmermans della Radboud University di Nijmegen si aspetta i primi risultati di misurazione la prossima primavera.
Entro dieci o quindici anni, Timmermans ei suoi colleghi internazionali (soprattutto cinesi e francesi) sperano di risolvere il mistero delle “particelle di palla da tennis” cosmiche. il loro rivelatore? Le alte montagne del Tibet.
Sulla Terra piovono costantemente particelle cariche di elettricità provenienti dall’universo. Questa cosiddetta radiazione cosmica proviene dal Sole e dalle stelle che esplodono nella Via Lattea. Ma ogni tanto ci sono esempi estremi, con la stessa quantità di energia di una pallina da tennis che viene presentata con forza, ma poi viene ammassata insieme in una singola particella subatomica. Questi cosiddetti raggi cosmici ad alta energia sono stati visti per la prima volta nel 1962. Le “particelle di palla da tennis” provengono dall’esterno della nostra Via Lattea, ma nessuno sa esattamente dove abbiano avuto origine e sotto quali fenomeni ricchi di energia.
Quando una tale forza cosmica si scontra con un nucleo atomico nell’atmosfera terrestre, provoca un’esplosione di precipitazione completa di particelle secondarie. Strumenti sensibili sul pavimento consentono di rilevare una tale pioggia di particelle. Ma questo non ti dà abbastanza informazioni sull’origine esatta del “proiettile” originale. Questo perché una particella di raggio cosmico ha preso un percorso un po’ traballante attraverso l’universo: poiché ha una carica elettrica, la sua orbita è deviata dai campi magnetici cosmici.
neutrino
Pertanto, le antenne radio in Cina non catturano i raggi cosmici ad altissima energia, ma piuttosto i neutrini che li accompagnano, che dovrebbero essere altrettanto rari. Qualunque siano le “particelle di palla da tennis” caricate elettricamente, sono destinate ad essere accompagnate da tali neutrini ad alta energia. I neutrini sono elettricamente neutri (ecco perché vengono chiamati così) e quindi non vengono deviati dai campi magnetici. Quindi, se vedi da dove vengono, puoi tracciare la loro origine in modo abbastanza accurato e poi saprai subito da dove provengono le particelle dei raggi cosmici. “Neutrini con un’energia così elevata non sono stati osservati prima, ma siamo convinti che esistano”, afferma Timmermans.
Gli attuali rivelatori di neutrini, come IceCube in Antartide e KM3NET nel Mediterraneo, non possono “catturare” questi neutrini ricchi di energia. Il nuovo osservatorio in Cina può fare proprio questo: cerca la radiazione radio che viene prodotta indirettamente quando una particella così spettrale a volte si scontra con un nucleo atomico. Da qui il nome GRAND: Giant Radio Array for Neutrino Detection. Poiché le particelle di raggi cosmici “ordinari” e i fotoni gamma ad alta energia provenienti dall’universo producono anche impulsi radio quando entrano nell’atmosfera terrestre, i cacciatori di neutrini prestano particolare attenzione ai segnali provenienti dalle montagne all’orizzonte.
Questo funziona attraverso una serie di passaggi intermedi. Se una sorgente di neutrini ad alta energia è molto bassa nel cielo, è nascosta dietro le cime delle montagne tibetane. Il neutrino quindi vola “dalla parte posteriore” nella catena montuosa. A causa della sua elevata energia, si prevede che entro pochi chilometri si scontrerà con un nucleo atomico nella roccia. Durante questa collisione, le particelle secondarie, che volano dalle montagne verso il “primo piano”, sono completamente create dalla luce delle antenne radio di GRAND. Queste particelle secondarie (tra l’altro) sono dovute a elettroni e antielettroni e quando “sentono” il campo magnetico terrestre emettono una piccola quantità di radiazioni radioattive.
Sembra complicato e lo è. Ma la conclusione: se GRAND ha rilevato un segnale radio che sembrava provenire dalle montagne all’orizzonte, deve essere stato indirettamente causato da un neutrino così altamente energetico. Da questo si sa subito da quale parte dell’universo proviene, e in questo modo si possono anche scovare le misteriose sorgenti delle rare “particelle di palla da tennis” nei raggi cosmici. Almeno questa è la speranza.
nuove stelle
Per osservare la maggior parte possibile del cielo stellato, preferisco costruire un tale osservatorio radio in molti luoghi della Terra. Quindi Timmermans e colleghi sognano di espandere GRAND con campi di antenne simili vicino alle Ande, agli Urali e alle Montagne Rocciose. Alla fine si potrebbero collocare duecentomila antenne, distribuite su una superficie comune cinque volte più grande dei Paesi Bassi. Trattandosi di attrezzature abbastanza semplici, dovrebbe essere possibile raggiungere questo obiettivo con un massimo di 200 milioni di euro, finanziati dalla Cina e dall’Europa.
A proposito, GRAND non è l’unico progetto in grado di risolvere il dilemma dei raggi cosmici ad altissima energia. Un importante aggiornamento dell’Osservatorio Pierre Auger in Argentina, dove gli astronomi studiano sciami di particelle per i raggi cosmici in arrivo, sarà completato il prossimo anno. Questo osservatorio ha precedentemente trovato indicazioni che le “particelle di palla da tennis” provengono da galassie dove si verificano enormi ondate di nascita di nuove stelle. “Le statistiche non sono abbastanza convincenti per rivendicare una scoperta, quindi abbiamo bisogno di più dati di misurazione per ottenere una maggiore affidabilità”, ha affermato la portavoce Antonella Castellina dell’Istituto italiano dell’INFN.
Nel frattempo, Angela Olento dell’Università di Chicago sta lavorando a un telescopio spaziale chiamato Poemma in grado di rilevare i raggi cosmici ad alta energia dall’orbita terrestre. La poesia deve registrare i deboli lampi di luce nell’atmosfera che sorgono quando una particella così potente penetra. “Puma può monitorare gran parte del globo di notte e alla fine possiamo mappare l’origine dei raggi cosmici più ricchi di energia”, afferma Olinto. Se la NASA darà il via libera al telescopio spaziale, potrebbe essere lanciato intorno al 2030.
Se la risposta arriverà da GRAND, dall’Osservatorio Pierre Auger o da Poemma non è ancora scontato. Ma non passerà molto tempo prima che diventi chiaro quali processi altamente ricchi di energia sono responsabili delle particelle estreme. In un modo o nell’altro, gli astronomi si aspettano che il mistero dei raggi cosmici ad alta energia venga risolto al più tardi entro la metà degli anni ’30.
