La nostra Galassia vista con occhi nuovi: Neutrini rivelati da IceCube
Autori: La Collaborazione IceCube
La Via Lattea è una suggestiva presenza nel cielo notturno, visibile ad occhio nudo da un capo all’altro del campo di vista sottoforma di una banda soffusa di stelle. Per la prima volta il telescopio IceCube ha prodotto un’immagine della nostra galassia utilizzando i neutrini, minuscoli ed evanescenti messaggeri dal Cosmo.
In un articolo che apparirà oggi 30/6/23, sul giornaleScience, la Collaborazione IceCube, un gruppo internazionale di 350 persone, presenta l’evidenza di emissione di neutrini di alte energie dalla Via Lattea. I neutrini di alte energie, ovvero milioni o addirittura miliardi di volte più energetici di quelli prodotti nelle reazioni di fusione nucleare che alimentano le stelle, sono stati rivelati dall’osservatorio di neutrini IceCube, un rivelatore di una gigatonnellata in funzionamento presso la stazione Amundsen-Scott del Polo Sud, in Antartide.
Lo strumento, unico nel suo genere, utilizza un kilometro cubico del profondo ghiacciaio antartico equipaggiato con oltre 5000 sensori ottici. Questi catturano la luce prodotta da particelle cariche che si propagano nel ghiaccio, alla caccia dei segnali prodotti da interazioni dei neutrini originati nella nostra galassia e nel Cosmo, sino ai confini più lontani dell’Universo.
“L’aspetto più intrigante è che, al contrario della luce visibile e delle altre lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico, i segnali di neutrini dall’Universo brillano più delle sorgenti a noi vicine”, dice Francis Halzen, professore di Fisica all’Università del Wisconsin a Madison(USA) e principale referente scientifico di IceCube. Completato nel 2011, IceCube ha aperto una nuova finestra osservativa sul Cosmo, misurando un flusso diffuso di neutrini cosmici e successivamente identificando due distinte sorgenti astrofisiche, la Blazar TXS 0506+056 e più recentemente la galassia di Seyfert NGC 1068. In entrambi i casi si tratta di Nuclei Galattici Attivi, ovvero galassie che ospitano al loro centro dei buchi neri super massicci. L'osservazione di neutrini di alta energia da questi oggetti è riconducibile all'accelerazione di particelle cariche adroniche, come per esempio i protoni, che interagiscono nell’ambiente circostante ed emettono neutrini. Queste scoperte consentono di studiare le misteriose sorgenti dei raggi cosmici. I raggi cosmici sono particelle di alte energie, prevalentemente protoni e nuclei più pesanti. Una frazione importante di questi si ritiene venga prodotta nella nostra galassia. Interagendo con gas e polveri diffusi, i raggi cosmici producono inevitabilmente sia raggi gamma, sia neutrini. I raggi gamma sono da tempo osservati nel piano galattico, rendendo la Via Lattea una probabile sorgente di neutrini di alte energie.
La studio appena pubblicato da IceCube si è focalizzato sul cielo del Sud, dove si osserva la maggior parte della nostra galassia. Tuttavia, sino ad oggi i dati raccolti erano dominati da un importante rumore causato dalle interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre, che producono particelle residue che oscurano il segnale proveniente dalla galassia stessa.
Per vincere questa sfida la Collaborazione IceCube si è concentrata sullo studio delle cosiddette “cascate”, ovvero quelle interazioni di neutrini che danno origine ad un’emissione di luce quasi sferica. In questa classe di eventi l’energia viene depositata interamente all’interno del volume sensibile del rivelatore, riducendo significativamente la contaminazione del fondo delle interazioni di raggi cosmici in atmosfera, i quali, al contrario, rilasciano segnali che prevalentemente entrano o escono dallo stesso volume. La purezza di questo canale di osservazione ha consentito di raggiungere una maggiore sensibilità al segnale dalla nostra galassia.
A questa strategia si è aggiunta una carta vincente: l’implementazione di tecniche di machine learning per migliorare l’identificazione delle cascate nonché la ricostruzione della direzione di provenienza e la determinazione dell’energia dei neutrini che le hanno prodotte. “Una controparte ai raggi gamma è stata per la prima volta osservata anche in neutrini, premiando le nostre aspettative dalla Via Lattea e dalle possibili sorgenti di raggi cosmici” commenta Elisa Bernardini, professoressa dell’Università degli Studi di Padova e membro della Collaborazione IceCube dai suoi albori. “I metodi di analisi recentemente migliorati ci hanno consentito di identificare un numero di neutrini dieci volte maggiore rispetto ad analisi precedenti e con informazioni sulla direzione di provenienza più accurate, portando ad uno studio tre volte più sensibile”.
Il campione di dati utilizzato in questo studio include 60 mila neutrini osservati in 10 anni di funzionamento di IceCube. Le caratteristiche di questi neutrini sono state confrontate con precedenti previsioni teoriche sulle regioni della galassia presunte brillare in neutrini. Le mappe utilizzate ne includono una ricavata dall’estrapolazione dei dati in raggi gamma dalle osservazioni della Via Lattea del satellite Fermi Large Area Telescope gamma-ray e due diverse alternative, note con il nome di KRA, dato dal gruppo di fisici teorici dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che le ha elaborate. La scoperta apre una nuova finestra sull’astrofisica delle alte energie nella nostra galassia presentandoci un nuovo panorama che sembra già riservarci delle sorprese. Infatti l’emissione osservata risulta essere significativamente più intesa ed energetica di quella predetta dai modelli teorici di interazione dei raggi cosmici nella galassia. “L’osservazione della nostra galassia condotta per la prima volta usando i neutrini anziché la luce è un’enorme conquista scientifica” dice Ignacio Taboada, professore di Fisica del Georgia Institute of Technology (USA) e portavoce della Collaborazione IceCube. “Il prossimo passo sarà l’identificazione di specifiche sorgenti nella Via Lattea”.
La tanto attesa scoperta delle interazioni di raggi cosmici nella nostra galassia è un grande progresso nella comprensione dei misteri attorno alle sorgenti di raggi cosmici. Questi ed altri misteri saranno oggetto delle future analisi dei dati di IceCube. l telescopio di neutrini IceCube è stato costruito ed è gestito dalla National Science Foundation (NSF) con il supporto finanziario e la partecipazione di varie istituzioni appartenenti alla Collaborazione IceCube provenienti da quattordici paesi, tra cui l’Università degli Studi di Padova, solo gruppo italiano che partecipa al progetto. + info “Observation of High-Energy Neutrinos from the Galactic Plane,” The IceCube
A questo link il servizio del TGR Veneto del 30/06/2023