I neutrini “spettrali” ci aiutano a vedere la nostra Via Lattea come mai prima d’ora

Nel 1923, lo scrittore francese Marcel Proust pubblicò il quinto libro della sua epica in sette volumi Ricordo delle cose passate. In esso scrisse un passaggio che nel tempo è stato parafrasato come “il vero viaggio di scoperta consiste… non nel cercare nuovi paesaggi, ma nell’avere nuovi occhi”. Questo è un messaggio che gli astronomi conoscono da tempo, ed è stato dimostrato ancora una volta nel recente annuncio di una nuova ed unica fotografia della galassia della Via Lattea. Questa immagine apre un modo completamente diverso di comprendere il nostro ambiente galattico.

Da tempo immemorabile gli astronomi osservano il cielo utilizzando lo spettro elettromagnetico, dall'occhio nudo della preistoria fino al primo utilizzo di un telescopio nel 1610. Seguirono le onde radio nel 1932 e i raggi gamma negli anni '60. Ma la radiazione elettromagnetica (la cui forma particellare è un fotone) non è l’unica cosa che può attraversare lo spazio interstellare. Un altro messaggero è l'enigmatico neutrino, una particella emessa in alcuni tipi di decadimento nucleare.

I ricercatori hanno utilizzato il rilevatore IceCube per cercare neutrini molto energetici provenienti dallo spazio profondo. IceCube è enorme: è composto da un chilometro cubo di ghiaccio situato al Polo Sud. I neutrini provenienti dallo spazio attraversano l'atmosfera e interagiscono nel ghiaccio. Queste interazioni depositano molta energia, che viene convertita in un lampo di luce di brevissima durata. Utilizzando una varietà di schemi di lampeggio, i ricercatori sono in grado di capire la direzione da cui proveniva il neutrino originale.

Questa misurazione è stata molto difficile. I neutrini vengono emessi dalle reazioni nucleari e il più grande reattore nucleare nelle vicinanze è il sole. In effetti, tutte le stelle emettono neutrini, anche se l'energia dei neutrini emessi dalle stelle tende ad essere molto inferiore a quella cercata dal rilevatore IceCube. Tuttavia, la velocità con cui sono stati rilevati i neutrini a bassa energia era molto più elevata rispetto a quelli ad alta energia. L’estrazione del segnale ad alta energia ha richiesto dieci anni di dati e tecniche avanzate di intelligenza artificiale.

Il duro lavoro ha dato i suoi frutti, producendo un set di dati con circa 60.000 casi di neutrini ad alta energia provenienti dallo spazio. Poiché i neutrini vengono emessi da oggetti astronomici, i ricercatori si aspettavano che le fonti più frequenti di neutrini ad alta energia si trovassero nel piano della Via Lattea, e questo è ciò che hanno scoperto.

Il processo attraverso il quale vengono creati i neutrini galattici ad alta energia non è ancora completamente compreso. Si pensa che non abbiano origine direttamente all'interno di stelle, supernove o altri oggetti astronomici. Gli astronomi, invece, pensano che la fonte siano i raggi gamma. I raggi gamma sono una forma di radiazione elettromagnetica ad altissima energia, molto più potente dei raggi X. Vengono emessi da stelle molto calde e massicce, nonché dal gas estremamente caldo che circonda un buco nero.

Questi raggi gamma volano attraverso lo spazio e occasionalmente interagiscono con il gas idrogeno fluttuante tra le stelle. Si ritiene che l'interazione tra raggi gamma e nuclei di idrogeno produca il tipo di neutrini ad alta energia osservati da IceCube.

I ricercatori hanno testato questa ipotesi e hanno scoperto che sembra essere più o meno vera. I raggi gamma più energetici e i neutrini ad alta energia sembrano provenire dalle stesse posizioni nello spazio. Tuttavia, le prove non sono definitive. Sebbene gli astronomi possano determinare con grande precisione l’origine dei raggi gamma, non hanno raggiunto la stessa precisione per i neutrini. Quando un neutrino ad alta energia viene rilevato in IceCube, la direzione originaria del viaggio del neutrino può essere determinata solo con una precisione di circa cinque gradi. Ciò è sufficiente per stabilire solo una correlazione approssimativa tra le sorgenti di raggi gamma e l'emissione di neutrini.

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Quando i ricercatori utilizzano il noto modello di emissione di raggi gamma nella Via Lattea per prevedere il tasso atteso di produzione di neutrini ad alta energia, scoprono che vengono rilevati più neutrini del previsto. Questa discrepanza ha attirato l’attenzione degli astronomi, che cercano di capire da dove provenga l’inaspettato eccesso di neutrini ad alta energia.