Negli ultimi anni alcuni esperimenti spaziali, come il NASA Alpha Magnetic Spectometer (AMS-02) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, hanno misurato una quantità di positroni (di grande energia) più alta di quella che ci si aspettava. I positroni sono particelle di antimateria: hanno la stessa massa degli elettroni, ma carica opposta. Come mai tutti questi positroni? Da dove provengono?

I primi sospetti caddero subito sulle pulsar vicine e, tra queste, sulla pulsar Geminga. Vediamo perché.

C’è qualcosa o…Geminga?

La prima volta che ho sentito pronunciare Geminga è stato grazie al prof. Adriano Guarnieri mentre frequentavo il corso di Astronomia I a Bologna, nel 2006. In quell’occasione il prof. Guarnieri ci stava parlando delle pulsar e volle raccontarci l’origine del nome Geminga per quella particolare sorgente stellare.

Geminga è una pulsar che si trova a circa 800 anni luce di distanza da noi ed è stata scoperta dal NASA Small Astronomy Satellite 2 (SAS-2) negli anni Settanta. Il nome iniziale di questa pulsar era tecnico e generico, tipo Gemini gamma-ray source, dovuto al fatto che questa sorgente era stata scoperta nella costellazione dei Gemelli. Giovanni Bignami e Patrizia Caraveo però ebbero il colpo di genio e coniarono l’acronimo Geminga (vedi nota alla prima pagina dell’articolo scientifico a questo link), cioè la contrazione delle parole Gemini e gamma. Il genio è che Geminga, letto con un accento milanese e con la g dura, vuol dire “non c’è niente”: infatti sebbene fosse stata trovata una sorgente di raggi gamma dal SAS-2, per osservare una controparte ottica ci sono voluti alcuni anni (ma poi fu trovata definitivamente nel marzo del 1991 grazie al satellite ROSAT).

Una pulsar non è altro che una stella di neutroni rotante. Una pulsar ha un campo magnetico molto intenso: questo perché una pulsar è il residuo di una stella di grande massa che ha subito un collasso su se stessa. Il campo magnetico della stella originaria quindi anche è collassato e ha occupato uno spazio più piccolo diventando quindi molto ma molto più intenso.

Il campo magnetico più debole (weak magnetic field) di una stella (a sinistra) diventa un campo magnetico più forte (strong magnetic field) quando la stella collassa e diventa una stella di neutroni (a destra).

Attorno a una pulsar di solito c’è una grossa nube di elettroni e, appunto, positroni, tutti residui del collasso ed esplosione della stella originaria; queste particelle, visto che sono cariche, sono accelerate all’interno dell’intenso campo magnetico della pulsar, acquistano energia e partono in giro nell’universo.

Voi direte: ma se è così, allora basta tracciare il percorso dei positroni misurati da AMS-02 e vedere se il punto di partenza è Geminga. Magari fosse così facile: i positroni sono particelle cariche e qualsiasi campo magnetico nell’universo ne modifica la traiettoria, anche dopo aver lasciato la pulsar. Quindi è impossibile determinarne la traiettoria in modo preciso una volta misurati.

Affidiamoci ai raggi gamma

Quindi dobbiamo prima di tutto capire se la pulsar Geminga è in grado oppure no di produrre una enorme quantità di positroni ad alta energia.

Nel 2017, l’osservatorio High-Altitude Water Cherenkov gamma-ray observatory (HAWC) situato a Puebla, in Messico, ha osservato un intenso alone di raggi gamma attorno a Geminga intorno a qualche migliaio di miliardi di elettronvolt (un’unità di misura dell’energia di una particella): ecco forse la pistola fumante allora.

Infatti la domanda successiva è: da dove saltano fuori tutti questi raggi gamma? Una possibile risposta è data dall’effetto Compton inverso: quando una particella con un’alta energia si scontra con un fotone (luce) allora può avvenire un trasferimento di energia dalla particella al fotone, così che il fotone diventa qualcosa tipo un raggio gamma (cioè semplicemente luce ad altissima frequenza, quindi energia).

Ecco come funziona l’effetto Compton inverso (Crediti: NASA)

Messe così le cose, cioè come le hanno misurate con HAWC, a conti fatti solo raramente i positroni riescono a raggiungere la Terra.

Con il telescopio spaziale, andiamo a osservare

Ma nel frattempo il satellite spaziale NASA Fermi stava continuando a osservare in modo ossessivo Geminga: lo ha fatto per 10 anni di fila e ha anche osservato energie più basse, tipo qualche miliardo di elettronvolt. L’idea è che particelle con energia più bassa possono viaggiare di più indisturbate prima di trasferire la loro energia e formare raggi gamma. E, addirittura, una buona parte di queste particelle può arrivare fino a noi sulla Terra a produrre questi raggi gamma che poi sono misurati da NASA Fermi. Questa è l’idea: ma torna?

Per scoprirlo, Mattia Di Mauro, Silvia Mancon e Fiorenza Donato hanno preso proprio i dati di NASA Fermi (e anche di AMS-02 per la misura diretta delle particelle energetiche) e a marzo 2019 hanno diffuso su ArXiv un articolo scientifico (poi accettato e pubblicato su Physica Reviews D a dicembre 2019) in cui hanno costruito dei modelli da confrontare con questi dati. Nei modelli l’alone c’è sempre, ma varia a seconda delle energie considerate delle particelle.

Più aumenta l’energia delle particelle (positroni), più l’alone di raggi gamma è piccolo. Questo è dovuto anche al fatto che le particelle con energia minore viaggiano di più e producono raggi gamma su una regione più ampia quindi. Crediti: NASA

Questi modelli, che tengono anche conto del moto della pulsar, sono in accordo non solo con i dati di NASA Fermi da cui si è partiti per l’analisi, ma anche con i dati, a energie più alte, del 2017 di HAWC.

L’astronomia multimessaggero colpisce ancora

Quindi tutto torna stavolta, bisognava guardare al giusto livello di energia: la pulsar Geminga potrebbe dunque essere una sorgente di una grossa fetta di positroni che arriva sulla Terra, per la precisione circa il 20% di quelli misurati da AMS-02.

Per una volta quindi, niente materia oscura o altre robe più esotiche. D’altra parte, questo dei positroni di Geminga è ancora una volta un esempio di astronomia multimessaggero, cioè di ricerca astronomica che mette insieme osservazioni indipendenti della stessa sorgente, in questo caso raggi gamma (cioè luce) e positroni (o meglio raggi cosmici in generale).


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