Un piccolissimo neutrino e dei fotoni di altissima energia hanno reso possibile un secondo straordinario risultato della nuova astronomia multimessaggero. Per la prima volta, infatti, i ricercatori sono riusciti a risalire alla sorgente di un neutrino cosmico grazie all’associazione con una sorgente di fotoni gamma. Questa osservazione fornisce anche un solido indizio verso la spiegazione di uno dei più grandi misteri ancora irrisolti: qual è l’origine dei raggi cosmici.

Al risultato ha contribuito anche l’Italia, con i ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica INAF e dell’Agenzia Spaziale Italiana ASI. 

Ieri la conferenza stampa alla sede della National Science Foundation con la partecipazione degli esperimenti IceCube, Fermi e MAGIC.

Per approfondire i dettagli e trovare risposta alle curiosità sulla scoperta è possibile seguire in diretta sulla  pagina Facebook dell'INFN martedì prossimo, 17 luglio, alle ore 14.00  la conferenza con i ricercatori Sara Cutini, dell’INFN di Perugia che collabora all’esperimento Fermi, e Luca Foffano, della sezione INFN di Padova che collabora all’esperimento MAGIC.

Gli scienziati sono riusciti a individuare la possibile sorgente di un neutrino cosmico grazie all’associazione con una sorgente di raggi gamma, cioè fotoni di alta e altissima energia. Si tratta di un blazar, ossia una galassia attiva con un buco nero supermassiccio al centro, distante 4,5 miliardi di anni luce, in direzione della costellazione di Orione. A questo straordinario risultato, pubblicato ier su Science, i ricercatori sono arrivati combinando i dati del rivelatore di neutrini IceCube, che opera tra i ghiacci del Polo Sud, e altri 15 esperimenti per la rivelazione dei fotoni da terra e nello spazio.

   Vista IceCube




L’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e varie Università italiane hanno dato contributi determinanti attraverso la partecipazione dei propri ricercatori a molti degli esperimenti e osservatori coinvolti nella scoperta.

 Infrastruttruttura IceCube




Questa osservazione senza precedenti, frutto del lavoro “corale” dell’astronomia multimessaggero, ha fornito anche un solido indizio verso la spiegazione di uno dei maggiori misteri ancora irrisolti: l’origine dei raggi cosmici di altissima energia.


      Infrastruttura IceCube


I raggi cosmici sono, infatti, composti prevalentemente da protoni, particelle elettricamente cariche che sono quindi deviate dai campi magnetici che permeano lo spazio, impedendoci di risalire alla loro origine.


  Infrastruttura Ice Cube



Un aiuto per chiarire questo mistero, che dura da oltre 100 anni, arriva dai neutrini che sono prodotti proprio dai protoni di alta energia.


  Neutrini sotto ghiaccio



Essendo particelle neutre e con massa piccolissima, i neutrini non vengono deviati dai campi magnetici e interagiscono pochissimo con la materia, dimostrandosi dunque perfetti messaggeri, in grado di portarci diritti alla loro origine.

Una osservazione, molti messaggeri.

Era il 22 settembre 2017 quando il rivelatore di neutrini IceCube osservava un interessante neutrino, battezzato poi IC-170922A.




 Raggi gamma dal blazar a Terra



Interessante perché la sua energia molto elevata, pari a 290 TeV (teraelettronvolt, mille miliardi di elettronvolt), indicava, con ogni probabilità, che era stato originato da un lontano oggetto celeste molto “attivo”. Poiché, in base alle teorie, la produzione di neutrini cosmici è sempre accompagnata da raggi gamma, quando IceCube ha visto IC-170922A ha subito lanciato un “allerta neutrino” a tutti i telescopi, disseminati nello spazio e sulla Terra, nella speranza che le loro osservazioni potessero aiutare a individuarne con precisione la sorgente. E così è stato.

Il satellite Fermi, realizzato dalla NASA e che conta su una importante partecipazione di ASI, INAF e INFN, osservando con il telescopio LAT i raggi gamma molto energetici provenienti dalla direzione del neutrino, ha trovato un’emissione coincidente con una sorgente di raggi gamma che era in stato “eccitato”.


    

   Magic (La Palma, Spagna): Il telescopio Magic e il suo sistema di controllo attivo di puntamento degli specchi, sull’isola canaria di La Palma (Spagna). Si tratta del più grande telescopio Cherenkov al mondo, con i suoi due riflettori di diametro di 17m ciascuno, ed è in grado di vedere le più lontane sorgenti gamma.

Era il blazar TXS 0506+056: un nucleo galattico attivo, cioè un buco nero supermassiccio al centro di una galassia che espelle un getto di materia relativistica, flussi di particelle e radiazioni energetiche a velocità vicine a quella della luce. Fermi-LAT ha diramato subito l’allerta tramite un ATel, un Telegramma Astronomico come viene chiamato, che ha consentito a tutti gli altri 14 esperimenti di puntare la sorgente.

  Magic (La Palma, Spagna): I due telescopi gemelli di Magic sull’isola canaria di La Palma (Spagna).

 


Il satellite italiano AGILE, realizzato da ASI con il contributo di INAF e INFN, ha quindi confermato l’informazione di Fermi-LAT con un altro Telegramma. 

   

Anche i telescopi MAGIC, realizzati e gestiti con il contributo importante di INAF e INFN, sull’isola di La Palma alle Canarie, che studiano i raggi gamma da terra attraverso la radiazione Cherenkov prodotta dall’interazione dei fotoni gamma provenienti dalle sorgenti celesti con l’atmosfera terrestre, hanno orientato i loro giganteschi specchi verso la sorgente riuscendo, con 12 ore di osservazione, a rivelarla osservandola a un’energia mille volte maggiore di quella di Fermi, fornendo così un altro importante pezzo per il completamento di questa scoperta.

   ©Daniel López, IAC



Tra gli esperimenti che studiano i fotoni e che hanno rivelato la sorgente, ci sono anche altri tre satelliti con una significativa partecipazione italiana: Swift, della NASA, che ha un piccolo campo di vista ma una elevata capacità di ‘girarsi’ per ripuntare velocemente una sorgente improvvisamente ‘eccitata’, NuSTAR, sempre della NASA, che con i propri telescopi per i raggi X riesce a fare immagini dell’universo ad alta energia, e INTEGRAL, dell’ESA, che non hanno visto la sorgente ma ha fornito un limite superiore alla sua intensità, permettendo agli scienziati di escludere che il neutrino fosse associato a un lampo di raggi gamma (GRB, Gamma Ray Burst).

Grazie alla combinazione di tutte le diverse osservazioni è stato così possibile individuare proprio nel blazar TXS 0506+056, che si trova al cuore di una galassia a una distanza di 4,5 miliardi di anni luce dalla Terra, la probabile sorgente del neutrino. La distanza di tale galassia ospite è stata misurata da un team di ricercatori dell’INAF di Padova.

L’identificazione della sorgente dei raggi cosmici.

Diversamente dal caso delle onde gravitazionali e del violento lampo gamma prodotti nella fusione di due stelle di neutroni, dove l’identificazione della sorgente si basava su una coincidenza temporale molto stretta, l’associazione fra il neutrino di IceCube e la sorgente TXS 0506+056, indicata dal telescopio LAT a bordo di Fermi, si fonda sulla coincidenza di posizione, all’interno di un decimo di grado, la cui affidabilità è stata calcolata basandosi sui dati Fermi-LAT. Per riuscire ad associare IC-170922A con la sorgente TXS 0506+056, il team Fermi-LAT ha dovuto riprodurre l’intero cielo gamma e studiarne la variabilità arrivando a valutare la probabilità di una coincidenza spaziale spuria a meno dell’1%. Un ulteriore indizio viene dall’osservazione da parte di MAGIC dei fotoni gamma a energie prossime a quelle del neutrino rivelato da IceCube, che rende questa associazione ancora più stringente e permette di avere un quadro più chiaro sull’origine di entrambe le emissioni.

Conclusione.

Nel blazar TXS 0506+056 il getto, alimentato dalla materia espulsa dal disco di accrescimento del buco nero nel quale era precipitata, è proprio la regione in cui le osservazioni di onde radio e di raggi gamma ci dicono che vengono accelerate particelle di alta energia. Adesso, che oltre ai raggi gamma abbiamo osservato anche un neutrino molto energetico, possiamo concludere che, oltre agli elettroni (e ai positroni), ci sono sicuramente anche protoni accelerati. Possiamo, inoltre, affermare che, per produrre il neutrino osservato, questi protoni sono sicuramente di energia estremamente elevata. Oltre a testimoniare in maniera chiara la presenza di protoni accelerati, il neutrino IC-170922A ci permette di risolvere, in parte, il mistero rappresentato dai raggi cosmici di energie estreme. Questo straordinario risultato della neonata astronomia multimessaggero conferma dunque la strettissima connessione che sussiste tra i diversi messaggeri cosmici.

Seguono  le dichiarazioni di commento di Fernando Ferroni, presidente dell’INFN, Antonio Masiero, vicepresidente dell’INFN e Marco Pallavicini, presidente della Commissione Nazionale INFN di fisica astroparticellare.

FERNANDO FERRONI, presidente INFN

“Questo è un risultato si estrema importanza perché innanzitutto conferma la straordinaria potenza di indagine dell’astronomia multimessaggero. Il fatto poi che, in questo caso, sia stato un neutrino a innescare la scoperta conferma il ruolo chiave che questa sfuggente e ancora poco conosciuta particella può giocare nella nostra comprensione dell’universo e, quindi, quanto è fondamentale riuscire a conoscerne a fondo la natura. La rivelazione di IceCube conferma, inoltre, l’efficacia delle nostre strategie di indagine dei neutrini: vale a dire andare, non solo sottoterra come nei Laboratori INFN del Gran Sasso, ma anche sotto i ghiacci e sott’acqua come fa l’esperimento ANTARES, cui collaboriamo al largo delle coste francesi, e KM3Net, che stiamo realizzando assieme a una collaborazione internazionale in Sicilia. E le osservazioni dei rivelatori di fotoni gamma, come Fermi e MAGIC, confermano la nostra abilità, scientifica e tecnologica, di indagare il mondo delle particelle elementari con molti diversi strumenti. Infine, ma non ultimo, questo risultato dà un’ulteriore conferma della capacità della fisica italiana di essere protagonista delle grandi imprese scientifiche che si conducono a livello mondiale”.   

ANTONIO MASIERO, vicepresidente INFN

"Dopo l’apertura lo scorso anno dell’era dell’astronomia multimessaggero, grazie alla rivelazione di due ‘messaggeri cosmici’, le onde gravitazionali e i fotoni elettromagnetici, provenienti dalla fusione di due stelle di neutroni, l’annuncio di oggi di una possibile rivelazione di altri due messaggeri cosmici, questa volta fotoni e neutrini, provenienti da una stessa sorgente astrofisica, rende sempre più attuale e promettente questo nuovo modo di guardare e studiare il cielo. Come dimostrato dalla partecipazione dell’INFN, dell’INAF e dell’ASI alla rivelazione di entrambi questi eventi ‘multimessaggero’, l’Italia si conferma protagonista, sia dal punto di vista scientifico sia tecnologico, anche di questa nuova avventura scientifica”.

MARCO PALLAVICINI, presidente Commissione Nazionale INFN di fisica astroparticellare

“Un piccolo neutrino che ha fatto da apripista a un nuovo successo dell’astrofisica multimessaggero. Un neutrino e dei fotoni, che assieme dimostrano l’importanza strategica e le potenzialità scientifiche dei grandi progetti internazionali ai quali l’INFN sta lavorando, come KM3Net, l’osservatorio sottomarino per neutrini nel Mar Mediterraneo, al largo della Sicilia, e CTA, l’osservatorio di raggi gamma di prossima generazione distribuito nei due emisferi del pianeta”.