Gli scienziati sono riusciti a ricreare condizioni simili a “palle di fuoco cosmiche” all’interno dell’acceleratore di particelle del CERN, un esperimento rivoluzionario volto a comprendere l’enigmatica scomparsa dei raggi gamma ad alta energia da galassie distanti. Questo risultato potrebbe svelare informazioni cruciali sull’origine dei campi magnetici nello spazio intergalattico e sul comportamento della materia in condizioni estreme.
Simulazione di condizioni estreme dell’universo
La ricerca, condotta da scienziati dell’Università di Oxford e della Central Laser Facility del Science and Technology Facilities Council (STFC), ha utilizzato la struttura HiRadMat del CERN e il super proton sincrotrone per generare coppie di particelle di materia e antimateria (elettroni e positroni). Queste particelle sono state poi lanciate attraverso una colonna di plasma – un gas ionizzato surriscaldato – simulando le intense condizioni riscontrate nei getti emanati dai blazar. I blazar sono un tipo di nucleo galattico attivo, dove i buchi neri supermassicci al centro delle galassie consumano materia ed espellono flussi di plasma ad alta energia.
“Questi esperimenti dimostrano come l’astrofisica di laboratorio possa testare le teorie dell’universo ad alta energia”, ha spiegato Bob Bingham, membro del team dell’Università di Strathclyde. “Riproducendo le condizioni relativistiche del plasma in laboratorio, possiamo misurare i processi che modellano l’evoluzione dei getti cosmici e comprendere meglio l’origine dei campi magnetici nello spazio intergalattico.”
Cosa sono i Blazar e perché i raggi gamma svaniscono?
I blazar sono un affascinante sottoinsieme di “nuclei galattici attivi” (AGN). Nel cuore di queste galassie si trova un buco nero supermassiccio – milioni o miliardi di volte più massiccio del nostro Sole – che attira voracemente gas e polvere circostanti. Questo materiale forma un disco vorticoso, chiamato disco di accrescimento, che brilla intensamente a causa dell’attrito.
Mentre la materia cade verso il buco nero, potenti campi magnetici ne incanalano una parte verso i poli del buco nero. Questa materia viene accelerata quasi alla velocità della luce ed espulsa sotto forma di getti gemelli di plasma. Quando uno di questi getti è puntato direttamente verso la Terra, diventa un blazar. Questi getti producono intense radiazioni di raggi gamma che i telescopi sulla Terra possono rilevare.
Tuttavia, è emerso un fenomeno sconcertante: quando questi raggi gamma viaggiano attraverso lo spazio intergalattico, non producono sempre i segnali secondari previsti dalla fisica standard. Gli scienziati avevano previsto che le interazioni con i fotoni nella luce di fondo cosmico avrebbero creato coppie di elettroni e positroni (materia e antimateria), e queste coppie, a loro volta, avrebbero dovuto disperdersi nel fondo cosmico di microonde (CMB), un debole bagliore residuo del Big Bang. Questa diffusione dovrebbe generare raggi gamma a bassa energia rilevabili da telescopi come la navicella spaziale Fermi. Tuttavia, questi raggi gamma a bassa energia sfuggono costantemente al rilevamento.
Il mistero dei raggi gamma mancanti: spiegazioni e nuove scoperte
Diverse teorie tentano di spiegare questa apparente discrepanza. Un’ipotesi è che i deboli campi magnetici intergalattici deflettono le coppie elettrone-positrone, spingendo di fatto i raggi gamma a bassa energia fuori dalla nostra linea di vista. Un’altra possibilità riguarda l’instabilità di queste coppie materia-antimateria mentre attraversano la materia sparsa tra le galassie, causando fluttuazioni nel getto di plasma e generando campi magnetici che dissipano l’energia del raggio. Infine, la presenza di un “campo magnetico relitto”, residuo dell’universo primordiale, potrebbe confondere i raggi gamma.
Il recente esperimento del CERN è stato progettato per testare le prime due di queste teorie. Sorprendentemente, il team ha osservato un’interruzione minima del fascio di plasma, contraddicendo le aspettative di una significativa generazione di campo magnetico. Ciò suggerisce che le instabilità del plasma potrebbero essere troppo deboli per tenere conto dei raggi gamma mancanti, rafforzando la possibilità che un campo magnetico residuo influenzi il loro comportamento.
Le scoperte del team sfidano le teorie prevalenti e rafforzano l’argomentazione a favore dell’esistenza di un campo magnetico residuo che permea il mezzo intergalattico.
Guardando al futuro
I risultati sollevano interrogativi intriganti, in particolare riguardo al modo in cui un campo magnetico così relitto potrebbe aver avuto origine nell’universo primordiale straordinariamente uniforme. Per rispondere a questa domanda potrebbe essere necessario esplorare la fisica oltre il Modello Standard, coinvolgendo potenzialmente strutture avanzate come il Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).
“È stato molto divertente far parte di un esperimento innovativo come questo che aggiunge una nuova dimensione alla ricerca di frontiera condotta al CERN”, ha concluso Subir Sarkar, membro del team e ricercatore dell’Università di Oxford. I risultati del team, pubblicati sulla rivista PNAS, offrono una nuova prospettiva su questioni cosmiche fondamentali ed evidenziano il potenziale degli esperimenti di laboratorio per sondare gli ambienti più estremi dell’universo.
