Cosmologia nel mirino - 6. Cosa si comprende dallo studio dei raggi cosmici altamente energetici


    21/09/2008 

    Il meccanismo più accreditato di generazione dei raggi cosmici è il meccanismo di Fermi secondo il quale le particelle cariche generate da processi astrofisici come gli echi di supernovae e jets di accrescimento, vengono accelerate fino ad energie e velocità relativistiche dallo scambio di energia con i fronti d'urto presenti in plasmi turbolenti magnetizzati. L'emissione radio proveniente da questi oggetti è generata dal processo noto come "emissione di sincrotrone", dove gli elettroni vengono accelerati fino ad energie di 105GeV; la radiazione X, che si osserva, invece, proviene da un meccanismo noto come "emissione Compton inversa", in cui gli elettroni accelerati per sincrotrone vanno ad urtare tra loro scambiandosi quantità di moto.

    La connessione di questi fenomeni con il campo magnetico degli oggetti astrofisici, che li originano, non è ancora compresa a pieno.

    Per far luce su queste tematiche si attende la prima osservazione del decadimento dei pioni, che andrebbero a produrre emissione gamma molto energetica.

    Lo spettro osservato dei raggi cosmici continua fino ad energie di 1011GeV, ma le sorgenti nella nostra galassia possono accelerare le particelle non oltre i 109GeV e comunque, si dovrebbero osservare grosse anisotropie nella distribuzione poiché, il campo magnetico galattico è troppo debole per randomizzare abbastanza le direzioni di queste particelle.

    Considerato che le direzioni di arrivo osservate sono isotrope, questo lascia pensare che la gran parte dei raggi cosmici si origini ad di fuori della Via Lattea.

    Non bisogna dimenticare in questo contesto che a grandi energie l'invarianza di Lorentz potrebbe essere violata, probabilmente tramite degli effetti di gravità quantistica.

    Lo stesso tipo di sviluppo futuro lo si attende dallo studio dei neutrini di alta energia, che dovrebbero essere facilmente rilevabili nei futuri rivelatori in fondo al mare o sotto i ghiacci antartici.

    Si ipotizza, inoltre, che i neutrini ultra-energetici potrebbero risentire di variazioni nella loro sezione d'urto (altrimenti piccolissima) nel caso dell'esistenza di ulteriori dimensioni spaziali per grandi energie come suggerite dal modello braneworld; ne consegue che degli arrays di rivelatori di neutrini potrebbero raggiungere il volume di rivelazione richiesto per poter accedere al goal questi studi.

    Per una descrizione del percorso propagativo dei raggi cosmici lungo tutto l'universo è ovviamente necessaria una comprensione avanzata, non ancora presente, della distribuzione del campo magnetico interstellare ed intergalattico ed a tale scopo possono venire in aiuto le rivelazioni di raggi cosmici con tecniche radio.

    I futuri strumenti capaci di indagare su questi temi saranno gli eredi di strumenti come H.E.S.S. eMAGIC, che dal canto loro, hanno dato un grande contributo nella comprensione dei meccanismi di accelerazione di queste particelle ad opera di classi di oggetti ad alte energie.

    I prossimi rivelatori potranno arrivare a coprire energie fino a qualche TeV contribuendo ancora maggiormente nella comprensione di questi meccanismi, come HiRes ed il Perre Auger Observatory in Argentina.

    Contributi in merito, verranno forniti da palloni e dispositivi spaziali che, saranno fondamentali in questo contesto, come KASCADE-Grande e TUNKA che verranno espansi, così come SPASEal Polo Sud.

    Quesiti e keyQuestions liberamente tratte dalla stesura inglese di ScienceVision (2008 ESO).

    1. Come si è originato l'universo

    2. Cosa sono la materia oscura e l'energia oscura?

    3. E' possibile osservare dei fenomeni di gravità forte in azione

    4. Quale meccanismo c'è alla base delle esplosioni di supernovae e dei GRBs

    5. Come funziona l'accrescimento, la generazione di jets e gli outflows nei buchi neri?

    6. Cosa si comprende dallo studio dei raggi cosmici altamente energetici

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