La misteriosa particella Amaterasu potrebbe non essere affatto un protone. Nuove ricerche suggeriscono che alcuni dei raggi cosmici più estremi potrebbero essere nuclei atomici ultrapesanti, più pesanti del ferro, in grado di conservare meglio la propria energia durante il viaggio nello spazio. Questa ipotesi potrebbe contribuire a spiegare come queste rare particelle raggiungano la Terra e fornire nuovi indizi sulle potenti esplosioni cosmiche che le generano.
Una particella ultrapesante potrebbe contribuire a spiegare uno dei misteri più enigmatici dell’astrofisica moderna: l’origine delle particelle più energetiche mai rilevate.
I raggi cosmici ad altissima energia sono particelle provenienti dallo spazio che si schiantano sulla Terra con energie di gran lunga superiori a quelle prodotte dagli acceleratori di particelle costruiti dall’uomo. Tra gli esempi più straordinari c’è la “particella Amaterasu”, rilevata dal Telescope Array nello Utah nel 2021 e chiamata così in onore della dea del sole nella mitologia giapponese. La sua energia la colloca tra gli eventi di raggi cosmici più potenti mai osservati, posizionandola nella stessa rara categoria della “particella Oh-My-God” registrata nel 1991. Eppure gli scienziati non sanno ancora da dove provenga, né di cosa si tratti esattamente.
Raggi cosmici ultrapesanti
Una nuova ricerca condotta da scienziati della Penn State e pubblicata su Physical Review Letters suggerisce che alcuni dei raggi cosmici a più alta energia potrebbero essere nuclei atomici più pesanti del ferro. I nuclei atomici sono i centri compatti degli atomi, costituiti da protoni e neutroni. Contengono quasi tutta la massa di un atomo, pur occupando solo una piccolissima parte del suo volume totale.
Secondo i calcoli del team, questi nuclei ultrapesanti potrebbero perdere energia più lentamente dei protoni o dei nuclei più leggeri durante l’attraversamento dello spazio intergalattico. Ciò significa che potrebbero sopravvivere al viaggio verso la Terra conservando ancora quantità estreme di energia. Il lavoro, svolto in collaborazione con ricercatori dello Yukawa Institute for Theoretical Physics in Giappone, del Virginia Tech e di altre istituzioni, potrebbe aiutare gli scienziati a identificare i tipi di oggetti cosmici sufficientemente potenti da lanciare tali particelle.
“I raggi cosmici ad altissima energia possono essere accelerati solo da alcune delle sorgenti più potenti dell’universo”, ha affermato Kohta Murase, professore di fisica, astronomia e astrofisica presso l’Eberly College of Science della Penn State e responsabile del team di ricerca. “Quando rileviamo singole particelle di raggi cosmici, come la particella di Amaterasu, qui sulla Terra, possiamo spesso utilizzare la loro energia, la direzione di arrivo e le deflessioni magnetiche previste per dedurre le loro possibili sorgenti cosmiche.”
Il mistero della particella Amaterasu
La particella Amaterasu si è rivelata particolarmente difficile da spiegare perché la sua direzione di arrivo stimata risale a un vuoto cosmico, una regione dello spazio priva di una fonte chiara in grado di produrre raggi cosmici ad altissima energia.
“Le origini e i meccanismi di accelerazione dei raggi cosmici ad altissima energia sono stati tra i più grandi misteri del settore per oltre 60 anni, fin da quando è stato segnalato il primo esempio”, ha affermato Murase.
Queste rare particelle possono superare i 100 exa-elettronvolt, ovvero 100 quintilioni di elettronvolt. Ciò le rende circa sette ordini di grandezza, o 10 milioni di volte, più energetiche delle particelle accelerate all’interno del Large Hadron Collider, il più grande e potente acceleratore di particelle al mondo. La particella Amaterasu ha raggiunto un’energia di circa 240 exa-elettronvolt, conferendo a una singola minuscola particella di raggio cosmico un’energia cinetica paragonabile a quella di una pallina da tennis in rapido movimento. Questo la rende uno dei raggi cosmici più energetici mai rilevati.
“Si ritiene che questi raggi cosmici ad altissima energia provengano da sorgenti astrofisiche estreme, come la collisione di due stelle di neutroni o il collasso di una stella massiccia”, ha affermato Murase. “Per molti eventi di raggi cosmici considerati nel loro insieme, la distribuzione energetica, la direzione di arrivo e la composizione dedotta statisticamente forniscono indizi importanti sulla provenienza di queste particelle e su come vengono accelerate.”
Simulazione di particelle estreme
Per studiare quali tipi di particelle potessero ancora raggiungere la Terra a energie così straordinarie, i ricercatori hanno eseguito simulazioni computerizzate dettagliate. Hanno modellato come particelle di diverse dimensioni avrebbero acquisito o perso energia viaggiando attraverso lo spazio intergalattico.
“La nostra ricerca ha dimostrato che a energie paragonabili a quella della particella di Amaterasu, i nuclei ultrapesanti perdono energia più lentamente dei protoni o dei nuclei di massa intermedia, il che li rende più capaci di sopravvivere a distanze cosmiche e raggiungere la Terra a energie estreme”, ha affermato Murase. “Non stiamo dicendo che tutti i raggi cosmici ad altissima energia siano nuclei ultrapesanti. Ma se alcuni degli eventi a più alta energia fossero costituiti da nuclei ultrapesanti, ciò avrebbe un impatto sul modo in cui cerchiamo le loro sorgenti.”
I calcoli del team hanno inoltre stabilito nuovi limiti su quanto questi nuclei ultrapesanti possano contribuire alla popolazione totale di raggi cosmici ad altissima energia osservati.
Origini cosmiche violente
“I siti più promettenti per la produzione e l’accelerazione di tali nuclei ultrapesanti sono le morti di stelle massicce che comportano il collasso esplosivo in buchi neri o stelle di neutroni fortemente magnetizzate, così come le fusioni binarie di stelle di neutroni, note per essere potenti emettitori di onde gravitazionali”, ha affermato Murase. “Questi violenti fenomeni cosmici possono anche alimentare i lampi di raggi gamma, che sono tra le esplosioni più energetiche dell’universo. Un contributo da queste fonti potrebbe anche aiutare a spiegare una possibile differenza osservata tra i cieli settentrionali e meridionali nello spettro dei raggi cosmici ad altissima energia. Se i nuclei ultrapesanti contribuiscono in modo significativo alle energie più elevate, i dati futuri dovrebbero indicare una composizione più pesante del ferro.”
In futuro, gli osservatori potrebbero essere in grado di testare queste idee. Murase ha affermato che le strutture di prossima generazione, tra cui il proposto AugerPrime in Argentina e il proposto Osservatorio Globale dei Raggi Cosmici, potrebbero cercare le firme previste. Ulteriori studi teorici sulle esplosioni cosmiche che coinvolgono buchi neri e stelle di neutroni fortemente magnetizzate potrebbero anche contribuire a rivelare dove hanno origine i raggi cosmici ad altissima energia.
Oltre a Murase, il team di ricerca comprendeva B. Theodore Zhang, all’epoca ricercatore post-dottorato presso l’Istituto Yukawa di Fisica Teorica dell’Università di Kyoto ed ex ricercatore post-dottorato presso la Penn State; Mukul Bhattacharya, all’epoca borsista post-dottorato Eberly presso la Penn State; e Nick Ekanger e Shunsaku Horiuchi, che all’epoca della ricerca lavoravano presso il Virginia Tech.
Abstract
Studiamo la propagazione dei nuclei ultrapesanti (UH) come raggi cosmici ad altissima energia (UHECR). Mostriamo che le loro lunghezze di perdita di energia a ≲300 EeV sono significativamente più lunghi di quelli dei protoni e dei nuclei di massa intermedia, e che i raggi cosmici di energia più elevata con energie oltre ∼100 EeV, inclusa la particella Amaterasu, potrebbero essere UH-UHECR. Per la prima volta, deriviamo vincoli sul contributo delle sorgenti UH-UHECR e scopriamo che i dati attuali sono coerenti con le densità di tasso di generazione di energia degli UHECR provenienti da collassatori e fusioni di stelle di neutroni. Il nostro modello prevede che il valore medio della profondità del massimo dello sciame sia inferiore a quello per i nuclei di ferro oltre i 100 EeV, il che può essere verificato con future misurazioni della composizione, ad esempio AugerPrime e il Global Cosmic Ray Observatory. Inoltre, la tensione spettrale tra il Telescope Array (TA) e l’Osservatorio Pierre Auger può essere attenuata considerando il contributo aumentato degli UHECR, inclusi i nuclei UH, da un transiente vicino.
Materiale fornito da Penn State . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
B. Theodore Zhang, Kohta Murase, Nick Ekanger, Mukul Bhattacharya, Shunsaku Horiuchi. Ultraheavy Ultrahigh-Energy Cosmic Rays. Physical Review Letters, 2026; 136 (18) DOI: 10.1103/221m-gvs3
by 