Per la prima volta rivelati neutrini e fotoni dalla stessa sorgente cosmica
Individuata per la prima volta la possibile sorgente di un neutrino cosmico grazie all’associazione con una sorgente di raggi gamma di altissima energia. Si tratta di un blazar, ossia una galassia attiva, con al centro un buco nero supermassiccio di diverse centinaia di milioni di masse solari, distante 4,5 miliardi di anni luce dalla Terra, in direzione della costellazione di Orione. La straordinaria scoperta, appena pubblicata su Science, è stata possibile grazie alla combinazione di dati di diversa provenienza: dal rivelatore di neutrini IceCube, che opera tra i ghiacci del Polo Sud, e da altri 15 esperimenti per la rivelazione dei fotoni da terra e nello spazio.
La scoperta vede coinvolti L’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e varie Università italiane che attraverso i propri ricercatori coinvolti nei vari esperimenti hanno dato contributi determinanti alla scoperta.
Il risultato è il frutto di un lavoro “corale” dell’ultima frontiera dell’astronomia, quella a “molti messaggeri”, che osserva non solo la radiazione elettromagnetica in tutte le lunghezze d’onda (radio, microonde, infrarosso, visibile, ultravioletto, raggi X e gamma), ma anche le onde gravitazionali, i raggi cosmici, i neutrini. La scoperta costituisce un solido indizio verso la spiegazione di uno dei maggiori enigmi ancora irrisolti dell’astrofisica: l’origine dei raggi cosmici di altissima energia.
La svolta verso questa strepitosa scoperta risale al mese di settembre 2017, quando per la prima volta il rivelatore di neutrini IceCube osservava un interessante neutrino, battezzato poi IC-170922A. 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”. Ci si aspettava che la produzione di neutrini cosmici fosse accompagnata da raggi gamma. Subito dopo l’identificazione, IceCube ha 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 con un’importante partecipazione dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), osservando con il telescopio LAT (Large Area Telescope) i raggi gamma molto energetici provenienti dalla direzione del neutrino, ha localizzato entro un decimo di grado un’emissione di radiazione gamma coincidente con una sorgente conosciuta. Era un blazar con un nucleo galattico attivo (AGN), cioè un buco nero supermassiccio al centro di una galassia che espelle nella nostra direzione un getto di radiazione e di materia a velocità vicine a quella della luce. Anche Fermi-LAT ha dunque subito diramato un’allerta che ha consentito ai diversi esperimenti di puntare la sorgente. Fra questi, i telescopi MAGIC che, orientando i loro giganteschi specchi verso la sorgente individuata, riescono a rivelarla, osservandone lo spettro di emissione a un’energia mille volte maggiore di quella di Fermi-Lat, fornendo così un altro importante tassello per il completamento di questa scoperta.
Grazie alla combinazione di tutte le diverse osservazioni è stato così possibile individuare proprio nel blazar TXS 0506+056, la sorgente del neutrino IC-170922A. La distanza di tale galassia ospite è stata misurata da un team di ricercatori guidato dall’INAF di Padova.
L’osservazione, oltre che dei raggi gamma anche di un neutrino molto energetico, consente di poter affermare che nei getti prodotti dall’AGN sono presenti anche protoni di energia estremamente elevata. Il neutrino IC-170922A permette di risolvere, in parte, il mistero rappresentato dai raggi cosmici di altissima energia e conferma la strettissima connessione che sussiste tra i diversi messaggeri cosmici.
Il tema dello studio dei raggi cosmici ha una lunga tradizione a Padova già con Bruno Rossi tra i principali protagonisti fin dagli anni ’30 e ha visto sempre più coinvolta la locale Sezione INFN sin dalla nascita dell’Ente. La comprensione dell’origine dei raggi cosmici e dei messaggeri di quelle regioni dell’universo, dove in condizioni estreme vengono prodotte e accelerate particelle ad energie straordinarie, ha motivato il coinvolgimento della Sezione INFN di Padova in Fermi-LAT e in MAGIC, un esperimento che studia dalla terra i raggi gamma provenienti dalle sorgenti celesti attraverso la radiazione Cherenkov, sin dai momenti iniziali di queste imprese.
In questo particolare risultato scientifico, i ricercatori di Padova hanno lavorato in prima linea sia per l’identificazione della sorgente del neutrino sia per lo studio dello spettro di emissione di radiazione elettromagnetica di altissima energia con i telescopi MAGIC.
È degna di nota anche l’opera e la lungimiranza di Milla Baldo Ceolin che, da Padova, ha dato contributi importanti a questo ramo di ricerca, anche ideando e organizzando incontri internazionali su queste tematiche per discuterne le prospettive. La serie di “International Workshop on Neutrino Telescopes: un altro modo di guardare il cielo” avviati da Milla all’Istituto Veneto di Scienze, Lettere ed Arti a Venezia fin dal 1988, è portata avanti ancora oggi dai suoi allievi e collaboratori.
Nella figura di copertina la riproduzione di un blazar. Credits: NASA/JPL-Caltech, https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA16695