Strani raggi gamma solari scoperti a energie ancora più elevate

Nel 2019, i ricercatori hanno annunciato che qualcosa sembrava non funzionare con il sole. Dopo 10 anni di osservazioni, avevano concluso che la radiazione solare ad alta energia lo era sette volte più abbondante del previsto.

Adesso un nuovo studio basato su dati di energia ancora più elevata ha affinato il quadro. I ricercatori hanno scoperto che l'eccesso di raggi gamma solari persiste a energie più elevate. Quindi scende alle energie più alte esplorate. Nessuno può spiegare completamente cosa sta succedendo. "È stato solo un divertente grattacapo dopo l'altro", ha detto Annika Pietro, astrofisico della Ohio State University e coautore dell'ultima analisi.

Nel recente documento, che è stato pubblicato sul server di prestampa arxiv.org ed è in fase di revisione su Physical Review Letters, i ricercatori dell'Osservatorio per raggi gamma High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) e collaboratori riferiscono dell'abbondanza di radiazioni gamma persistenti in un intervallo che è da due a 10 volte più energetico di quello di qualsiasi raggio gamma solare misurato in precedenza.

Una spiegazione teorica completa dell'abbondanza di raggi gamma al sole rimane confusa, ma i nuovi risultati forniscono indizi utili per sviluppare una spiegazione. In particolare, la scoperta di una "energia limite" in corrispondenza della quale il sole cessa di irradiare raggi gamma potrebbe aiutare a rivelare il complesso ruolo dei campi magnetici solari.

Queste interazioni sono "fondamentalmente importanti", ha detto Hugh Hudson, astronomo dell'Università di Glasgow. "I dati HAWC sono riconosciuti come la migliore risorsa qui."

Un'ipotesi principale che spiega gli eccessi nella radiazione gamma del sole inizia con i raggi cosmici. Queste particelle ad alta energia, solitamente protoni, vengono lanciate da supernove, collisioni di buchi neri e altri eventi estremi nell'universo. Quando i raggi cosmici si avvicinano al nostro sole, i suoi potenti campi magnetici catturano le particelle e le reindirizzano verso l'esterno, lontano dal sole. I raggi cosmici poi si scontrano con i protoni nell'atmosfera del sole per produrre particelle instabili chiamate pioni. Quando i pioni decadono, creano raggi gamma.

Ma solo alcuni di questi raggi gamma sfuggono al sole e arrivano ai nostri rivelatori. "C'è una specie di storia 'proprio così' per i raggi gamma", ha detto Peter. “Devi fare in modo che il raggio cosmico penetri abbastanza in profondità nell'atmosfera del sole in modo che abbia buone possibilità di interagire. Ma deve essere nel punto in cui i raggi gamma possono quindi uscire senza interagire con altre particelle intermedie.

I raggi cosmici in quel punto debole, pensano i ricercatori, sono stati "rispecchiati" dalle linee del campo magnetico del sole. Un raggio cosmico entra e incontra le linee del campo magnetico che lo reindirizzano. Mentre esce, si scontra con un protone, producendo un raggio gamma.

Un modo per testare questa teoria è misurare come il segnale dei raggi gamma cambia nel tempo. Nello studio del 2019, i ricercatori hanno identificato una correlazione tra il segnale più forte e il minimo solare, la fase del ciclo di 11 anni del sole in cui la sua intricata rete di linee del campo magnetico è più debole. Questa correlazione sembra supportare la teoria. Se i raggi cosmici in arrivo non vengono deviati da questi campi magnetici estesi, che possono raggiungere il sistema solare, possono avvicinarsi molto al sole, dove forti campi magnetici fanno ruotare le particelle all'ultimo momento.

Tuttavia, l'attrazione magnetica del sole è solo così forte. Se un raggio cosmico estremamente energetico si lanciasse nelle vicinanze del sole, potrebbe potenzialmente sfrecciare attraverso i campi senza alcuna collisione di particelle.

"Ad un certo punto, penseresti che i raggi cosmici siano troppo energetici per essere influenzati dal campo magnetico", ha detto Altro Un Nisa, un astrofisico della Michigan State University che fa parte della collaborazione HAWC. I ricercatori vedrebbero questo come un limite nei dati: al di sopra di una certa energia, i raggi gamma scomparirebbero effettivamente. Le caratteristiche di tali tagli potrebbero fornire indizi su come comprendere meglio l'eccesso di raggi gamma.

Alla ricerca di un limite di energia così elevato, Nisa, Peter e i loro collaboratori si sono rivolti all'esperimento HAWC, un osservatorio terrestre vicino a Puebla, in Messico, che è stato completato nel 2015. L'osservatorio si basa su centinaia di 7.3 metri di larghezza serbatoi pieni d'acqua si accamparono alla base di un vulcano, coprendo un'area delle dimensioni di quattro campi da calcio. Mentre i raggi gamma esplodono attraverso l'atmosfera terrestre, creano particelle secondarie che colpiscono l'acqua nei serbatoi di HAWC, emettendo l'equivalente elettromagnetico di un boom sonico. HAWC fa affidamento su questa cosiddetta radiazione Cherenkov per ricostruire i raggi gamma in arrivo.

Utilizzando HAWC, gli scienziati sono riusciti a sondare i raggi gamma che erano oltre 10 volte più energetici di quelli dello studio del 2019, basato sui dati del Fermi Gamma-ray Space Telescope. Come con i risultati precedenti, la potenza del segnale era massima al minimo solare. E come sperato, la potenza del segnale è diminuita drasticamente con l'aumentare delle energie, indicando un effetto di interruzione. Il risultato fornisce un'importante scala di energia che aiuta i ricercatori a modellare la radiazione gamma del sole, ha detto Peter.

Perché l'interruzione si verifica all'energia che produce, Nisa ei suoi colleghi non possono dirlo. Né possono spiegare perché il segnale inaspettatamente abbondante persista a queste alte energie. "Non ci sono modelli attuali che possano attualmente spiegare [questo]", ha detto Elena Orlando, un fisico dell'Università di Trieste in Italia che non fa parte della collaborazione HAWC. Il segnale rimane misterioso come sempre.

E HAWC non sonda forse l'aspetto più sconcertante dei dati precedenti: un misterioso stretto calo nel segnale dei raggi gamma a frequenze di 1 trilione di trilioni di hertz.

Peter e i suoi colleghi stanno lavorando al problema, sviluppando elaborate simulazioni dei campi magnetici del sole e delle complesse dinamiche delle particelle cosmiche che si avvolgono intorno a loro.

Oltre a risolvere il mistero dei raggi gamma, i ricercatori pensano che le misurazioni HAWC possano portare a più ampie intuizioni sulla fisica solare e delle particelle. Le particelle ad alta energia che penetrano in profondità nell'atmosfera solare potrebbero aiutare gli scienziati a sondare una regione inesplorata del sole. HAWC è sensibile in modo univoco a queste particelle ad alta energia, poiché l'osservatorio può misurare raggi gamma di energie ancora più elevate di quelli creati al Large Hadron Collider. "Ci offre un nuovo laboratorio per studiare la nuova fisica là fuori", ha detto Nisa.