Un neutrino ad alta energia emesso da una galassia attiva6 min di lettura

Dunque, la notizia è stata annunciata il 12 luglio ed è questa: il 22 settembre 2017, il telescopio IceCube Neutrino Observatory ha osservato un neutrino ad alta energia che proviene da una direzione che è consistente con la galassia attiva TXS 0506+056.
Si tratta della prima volta che riusciamo a osservare dalla stessa galassia sia l’emissione di luce e sia l’emissione di neutrini.
Anzi, in realtà la scoperta è proprio questa: i neutrini ad alta energia sono prodotti nelle galassie attive.
Ora proviamo a capire meglio di cosa si sta parlando, almeno le cose essenziali (poi potete approfondire nei link a fine post). Proviamo a vedere insieme che cos’è un neutrino ad alta energia, che cos’è una galassia attiva, come hanno fatto gli astrofisici a osservare una roba del genere e, soprattutto, perché si tratta di una scoperta così importante. Partiamo.
Che cosa sono i neutrini ad alta energia

I neutrini sono particelle fondamentali della natura, come gli elettroni e i quark. Una caratteristica che rende i neutrini difficili da osservare è il fatto che interagiscono davvero molto poco con la materia. Il motivo è il seguente: in natura esistono 4 interazioni fondamentali, la gravità, l’elettromagnetismo, l’interazione forte e l’interazione debole. I neutrini non sentono l’interazione forte (questa la sentono solo i quark), non sentono la gravità (hanno una massa praticamente trascurabile), non sentono l’elettromagnetismo (sono particelle neutre, senza carica elettrica). Cosa rimane? L’interazione debole, quella responsabile, per esempio, dei decadimenti radioattivi nei nuclei atomici.

Quindi né i campi gravitazionali né i campi elettromagnetici possono fare granché sui neutrini: se un neutrino parte da una qualche sorgente, quello tira diritto fino a noi sulla Terra. Anzi, a volte neanche si ferma: tira diritto anche sulla Terra, attraversa tutto quello che gli si pone davanti (compresi noi stessi) e continua a viaggiare nell’universo.

Non c’è bisogno di entrare nei dettagli di questa elusività (ai fisici piace questa parola quando si parla di neutrini!): ciò che a noi interessa è che a volte capita che un neutrino interagisca con la materia; se ciò accade allora possiamo in qualche modo accorgerci del passaggio di un neutrino.

Per esempio, quando un neutrino colpisce un qualche nucleo atomico, ecco che un muone può formarsi. Il muone è un’altra particella fondamentale della fisica: come l’elettrone, il muone ha carica negativa; tuttavia il muone ha una massa maggiore di quella dell’elettrone.

Ho tirato in ballo i muoni perché sono gli occhi attraverso cui ci accorgiamo dei neutrini. Vediamo perché.

L’osservazione del neutrino ad alta energia
IceCube è un osservatorio per misurare i neutrini. Si trova in Antartide ed è fatto di più di 5000 sensori ottici situati in un volume di un km cubico sotto il ghiaccio vicino al Polo Sud.
Ricerca ad alta energia nel freddo dell’Antartide. Questo è l’IceCube Observatory, o meglio la parte di fuori.
Lo strumento che osserva i neutrini è composto da 86 cavi verticali infilati nel ghiaccio e distanti tra loro 125 metri. Il tutto a profondità di circa 1500-2000 metri.
E questo invece è uno schema di quello che c’è sotto l’IceCube Observatory: tanti cavi pronti a beccare i neutrini…ehm i muoni, vabbè ci siamo capiti.
Non capita spesso, anzi, ma quando capita che un neutrino interagisce con un nucleo atomico, allora un muone salta fuori.
Questo muone appena nato si muove molto velocemente nel ghiaccio: va così veloce che la luce, nel ghiaccio, si muove più lentamente. Cioè, nel ghiaccio, il muone va più veloce della luce (ma comunque a meno di 300 mila km al secondo, che è la velocità della luce nel vuoto).
Quando una particella, in un certo mezzo, si muove più veloce della luce (in quel mezzo) allora una radiazione di colore blu è emessa: questa radiazione è chiamata radiazione Cherenkov e può essere misurata. Ecco, questa è la cosa che è stata misurata da IceCube. E in questo modo si è capito che l’evento a monte era proprio il passaggio di un neutrino ad alta energia.
Sul sito del National Science Foundation ho trovato questo video molto bello che fa vedere, con un’animazione, come si osserva il neutrino e la radiazione Cherenkov e riassume quello che ho appena scritto a parole (quella specie di nuvola nel video sarebbe il neutrino).
Diciamo neutrino ad alta energia perché il neutrino misurato ha un’energia di circa 290 Tev (tera-elettronvolt), ovvero 290 mila miliardi di elettronvolt. I numeri sono enormi, ma si tratta di alte energie della fisica delle particelle.
Piccola nota: 1 Tev corrisponde a 1 decimilionesimo di Joule; e un Joule, poi, corrisponde all’energia che ha un bimbo di 10 kg che si muove a 1,5 km orari. Così, giusto per mettere tutto in proporzione.
Ora, la domanda è: da dove proviene questo neutrino ad alta energia?
Perché sappiamo già che i neutrini possono provenire dal Sole (sono prodotto nel nucleo) e da supernovae esplose nei dintorni. Però i neutrini solari hanno energie di qualche Mev (mega-elettronvolt), ovvero qualche milione di elettronvolt. Quindi un’energia molto minore di quella del neutrino misurato da IceCube.
E allora la domanda resta? Da dove salta fuori il neutrino a 290 Tev? La risposta è: da galassie attive.
Che cos’è una galassia attiva

In giro, quando si parla della scoperta che vi sto raccontando ora, si dice che il neutrino ad alta energia proviene da un blazar. Ma questo è solo un altro modo per dire ciò che abbiamo già detto, perché un blazar non è altro che una galassia attiva.

Ma di che si tratta, perché una galassia può essere attiva? Le galassie, probabilmente quasi tutte, hanno un buco nero supermassivo al loro centro. A volte, come nel caso della nostra Via Lattea, questo buco nero supermassivo centrale è più o meno quieto. In altri casi, grosse quantità di energia sono rilasciate quando la materia ci cade dentro: in questo caso la materia si riscalda ed emette molta luce in diverse frequenze: onde radio, raggi gamma, raggi X, e tutto il resto.

Siccome il buco nero supermassivo sta al centro, gli astrofisici si riferiscono dunque soltanto al nucleo delle galassie attive e si parla di Nuclei Galattici Attivi (l’acronimo ufficiale è AGN, Active Galactic Nucleus in inglese). Nel storia delle scoperte astrofisiche, si è scoperto che quasar, blazar, radiogalassie, sono tutti diversi tipi di AGN. Nel senso che hanno tutte una struttura simile a quella della figura qui sotto (clicca per ingrandire), ma ci possono essere differenze nella produzione di energia che poi è osservata da noi.

 

Gli studenti universitari di astrofisica adorano questa immagine!

 

 

Ora, non è il momento qui di raccontare tutto quello che vedete in figura. Però un paio di cose importanti da dire ci sono: la prima è che dal disco di accrescimento che si forma attorno al buco nero centrale parte tutto. Poi, ci si mette anche il campo magnetico e si vengono a formare i getti relativistici, dove una gran quantità di materia è sparata nello spazio.

La seconda cosa importante è che le energie in gioco sono elevatissime e quindi le particelle di materia che vengono buttate via hanno di conseguenza energie elevate (nel senso che abbiamo detto prima riguardo la fisica delle particelle).

In particolare, tra queste particelle accelerate e sputate nello spazio dall’AGN ci sono protoni e altri nuclei atomici con energia molto elevata, quelli che si chiamano raggi cosmici: a seguito di diversi altri processi, questi protoni e nuclei atomici possono poi generare luce e neutrini ad alta energia.

Quindi, se si becca un neutrino ad alta energia che sembra provenire proprio dove si trova fisicamente un AGN, allora abbiamo fatto bingo: abbiamo capito dove si formano questi neutrini così energetici e in più abbiamo capito dove si formano i raggi cosmici che hanno una certa energia. Questa è l’astrofisica multi-messagero, cioè l’astrofisica che osserva lo stesso fenomeno grazie a osservazioni tra loro indipendenti dal punto di vista della misurazione.

Quel neutrino energetico viene proprio dalla galassia attiva TXS 0506+056

Partiamo da ciò che si è osservato. Una volta che IceCube ha misurato il neutrino ad alta energia, subito si è diramato l’allerta per tutti gli altri telescopi sparsi sulla Terra e nello spazio: bisognava puntare verso l’apparente sorgente di provenienza del neutrino per vedere che cosa c’è. Si tratta della stessa cosa fatta con le onde gravitazionali l’anno scorso.

Per esempio, si è attivato il telescopio NASA Fermi, che guarda l’universo nei raggi gamma. Gli AGN emettono raggi gamma e quindi, per testare se davvero i neutrini ad alta energia si formano negli AGN, il telescopio Fermi è uno degli strumenti ideali.

Se si mettono insieme i dati sulla localizzazione di IceCube e quelli di Fermi (e di altri telescopi tipo MAGIC), si arriva alla figura qui sotto.

 

Localizzazione della sorgente del neutrino ad alta energia.

 

Lasciate perdere i dettagli: il punto, come vedete, è che le osservazioni convergono proprio su quella galassia attiva al centro e che si chiama TXS 0506+056. Tombola!

Ma attenzione: e se fosse solo un caso? La scienza ha i suoi metodi per fare potenziali scoperte, ma anche i mezzi per difendersi dalle potenziali scoperte che poi si rivelano non esserlo affatto.

In fondo, se ci pensate, abbiamo osservato un solo unico neutrino ad alta energia provenire da TXS 0506+056. Magari è solo una coincidenza e non abbiamo osservato neutrini che si sono formati a partire dai raggi cosmici.

Tuttavia, con i dati in nostro possesso, possiamo essere abbastanza confidenti: possiamo escludere al 99,7% che si sia trattato di una coincidenza osservare una galassia attiva proprio nei dintorni della regione da dove sembra provenire il neutrino osservato da IceCube. Molto bene, questi sono controlli che la scienza deve sempre fare.

E ora vai con l’astrofisica multi-messagero

Prima le onde gravitazionali e i gamma ray burst, oggi i neutrini e i raggi cosmici: ormai ci siamo dentro, viviamo nell’era dell’astrofisica multi-messagero. Prima o poi doveva accadere e gli astrofisici sono estremamente felici di ciò. Poter osservare lo stesso fenomeno con diversi occhi è una risorsa essenziale per capire meglio cosa succede nell’universo.

Sono certo che qui su Quantizzando racconteremo sempre più spesso storie di questo tipo.

E, come al solito, non ci abitueremo mai: l’universo trova sempre un modo per sorprenderci.

 

Link per saperne di più

Articolo scientifico della scoperta

Notizia su Media INAF

Notizia sul sito del National Science Foundation

 

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