Per la prima volta il cielo gamma alle energie del PeV (10¹⁵ eV) è stato aperto alle osservazioni. L’esperimento cinese Lhaaso (Large High Altitude Air Shower Observatory), dopo quasi un anno di osservazione del cielo, ha trovato 12 acceleratori cosmici nella nostra Galassia. Il fotone record supera la soglia psicologica del PeV (petaelettronvolt = 10¹⁵  eV, cioè un biliardo di elettronvolt ~1000 erg), raggiungendo il valore di 1,4 PeV. I primi risultati pubblicati nei giorni scorsi sulla rivista Nature testimoniano in modo clamoroso le potenzialità di questa infrastruttura di ricerca.

Mappa del piano della galassia sopra 100 TeV fatta da LHAASO. I cerchi indicano sorgenti note.

“Finora si pensava che solo pochissimi oggetti celesti fossero in grado di emettere radiazione gamma a energie così estreme.” ci spiega Martina Cardillo dell’INAF. “Le sorgenti devono infatti essere in grado di accelerare particelle a energie di 1 PeV (da cui il nome Pevatroni) ovvero energie fino a 100 volte maggiori di quelle raggiungibili dai più potenti acceleratori costruiti dall’uomo. Lhaaso ha invece dimostrato che esse non sono affatto rare.”

L’importanza di trovare questi acceleratori sta nel fatto che sappiamo che lo spettro dei raggi cosmici Galattici si estende almeno fino alle energie del PeV.  L’osservazione diretta di sorgenti dove sono presenti tali particelle può quindi aiutare i ricercatori a individuare quali fenomeni astrofisici sono in grado di accelerare particelle in modo così efficiente. I candidati proposti finora sono i resti di supernova, le “pulsar wind nebulae” e le giovani associazioni stellari. E infatti si trovano alcuni di questi oggetti nelle aree di incertezza posizionale delle sorgenti Lhaaso.

L’esperimento Lhaaso è il più importante esperimento per lo studio dei raggi cosmici galattici attualmente in funzione. Può infatti studiare sia le particelle cariche (determinandone la distribuzione in energia, la composizione chimica e l’anisotropia con una risoluzione senza precedenti) che i fotoni provenienti dalle più disparate sorgenti galattiche ed extra-galattiche.

“La rivelazione di una sorprendente emissione gamma all’energia di 1,4 PeV dal Cygnus Cocoon non solo rende sperimentalmente accessibile l’ultima finestra dello spettro elettromagnetico rimasta finora inesplorata, ma dimostra indiscutibilmente l’esistenza dei PeVatroni.” commenta Giuseppe di Sciascio dell’INFN e visiting professor della Chinese Academy of Sciences.

Viene anche messo in crisi il paradigma corrente che vuole i resti di supernova responsabili della produzione e accelerazione della maggior parte dei raggi cosmici galattici. Infatti il Cygnus Cocoon è una superbolla contenente stelle giovani e massicce (stelle di tipo OB2 di recente formazione), probabili sorgenti di raggi cosmici alternative ai resti di supernova.

Queste sorgenti nell’emisfero Nord sono un perfetto obiettivo per le osservazioni dei telescopi Cherenkov del progetto ASTRI che potranno approfondire lo studio di emissione e morfologia e migliorare l’identificazione delle sorgenti PeV. Infatti sia il Mini-Array di ASTRI che il futuro CTA, attualmente in costruzione da parte di una collaborazione internazionale di cui INAF è uno dei partner principali, avranno una migliore risoluzione angolare e permetteranno di distinguere con sicurezza l’oggetto celeste responsabile delle emissioni PeV.  Le osservazioni dei prossimi anni consentiranno inoltre di individuare le diverse classi di sorgenti di raggi cosmici in funzione della loro energia.

“Questi risultati sono inoltre molto importanti per la possibile rivelazione di neutrini astrofisici.
Se sono coinvolti i protoni (meccanismi adronici) nella produzione di questi fotoni così energetici, infatti, almeno le tre sorgenti più luminose potrebbero essere alla portata dei rivelatori di neutrini attualmente in funzione o progettati.” conclude Giuseppe di Sciascio.

Articolo scientifico: Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources Cao et al. 2021, Nature

LHAASO (PI Zhen Cao) è uno strumento complesso: a 4410 m di altitudine uno degli strumenti a quota più elevata: la minor quantità di atmosfera permette di vedere “un po’ meglio” il cielo, in particolare in alcune bande energetiche. La sua dimensione (superiore al km^2), la densità di rivelatori per la misura delle diverse componenti secondarie della radiazione cosmica e la sua sensibilità, ne fanno l’indiscusso protagonista per risolvere finalmente i principali problemi ancora aperti nella fisica dei raggi cosmici galattici a più di un secolo dalla scoperta della radiazione.

ASTRI è un esperimento per raggi gamma dell’INAF in collaborazione con altri enti interazionali (P.I. G. Pareschi) che sta costruendo un Mini-Array di 9 telescopi a Tenerife (Canarie, Spagna – grazie all’ospitalità dell’Instituto de Astrofisica de Canaria, IAC) per l’osservazione del cielo nei raggi gamma da alcuni Tev fino ad alcune centinaia di TeV. I telescopi del Mini-Array sono simili a quelli che verranno costruiti per il sito sud del progetto CTA. Canali social: Facebook ASTRIgamma; Instagram @astrigamma