Raggi cosmici estremamente potenti stanno piovendo su di noi. Nessuno sa da dove vengano.

Potresti pensare che i più grandi, più sconcertanti misteri dell’universo esistano là fuori, ai margini di un buco nero, o dentro una stella che esplode.

No, i grandi misteri dell’universo ci circondano, sempre. Ci permeano persino, navigando direttamente nel nostro corpo. Uno di questi misteri sono i raggi cosmici, fatti di minuscoli pezzi di atomi. Questi raggi, che ci stanno attraversando proprio in questo momento, non sono dannosi per noi o per qualsiasi altra vita sulla superficie della Terra.

Ma alcuni portano così tanta energia che i fisici sono sconcertati da quale oggetto nell’universo possa averli creati. Molti sono troppo potenti per aver avuto origine dal nostro sole. Molti sono troppo potenti per aver avuto origine da una stella che esplode. Poiché i raggi cosmici non viaggiano spesso in linea retta, non sappiamo nemmeno da dove provengono nel cielo notturno.

La risposta al mistero dei raggi cosmici potrebbe coinvolgere oggetti e fenomeni fisici nell’universo che nessuno ha mai visto o registrato prima. E i fisici hanno in corso diversi enormi esperimenti in tutto il mondo dedicati a risolvere il caso.

Anche se non sappiamo da dove vengono, o come arrivano qui, possiamo vedere cosa succede quando questi raggi cosmici colpiscono l’atmosfera del nostro pianeta quasi alla velocità della luce.

I raggi cosmici sono messaggeri dell’universo più ampio; un promemoria che ne facciamo parte, e un promemoria che c’è ancora una grande quantità di mistero là fuori. Diamo un’occhiata da vicino a queste particelle sorprendenti, che piovono sulla Terra da lontano.

Sfondano nella nostra atmosfera

Quando le particelle dei raggi cosmici si scontrano con gli atomi nella parte superiore dell’atmosfera, esplodono, lacerando gli atomi in un violento scontro. Le particelle di quell’esplosione continuano poi a far scoppiare altri pezzi di materia, in una reazione a catena a valanga. Alcune di queste schegge atomiche colpiscono anche il suolo.

È possibile vedere questo in azione costruendo quella che viene chiamata una camera a nube con un barattolo di vetro, feltro, ghiaccio secco e alcol isopropilico (cioè alcool per frizioni).Cioè l’alcool di sfregamento). Si immerge il feltro nell’alcool, e il ghiaccio secco (che è anidride carbonica solida superfredda) raffredda il vapore dell’alcool, che scende dal feltro. Questo crea una nuvola di vapore alcolico.

In questa camera, si possono vedere i raggi cosmici, in particolare quelli di una particella chiamata muone. I muoni sono come gli elettroni, ma un po’ più pesanti. Ogni centimetro quadrato della Terra a livello del mare, compreso lo spazio in cima alla tua testa, viene colpito da un muone ogni minuto.

Come gli elettroni, i muoni hanno una carica negativa. Quando i muoni attraversano la nuvola di alcol, ionizzano (caricano) l’aria che attraversano. La carica nell’aria attrae il vapore dell’alcol, che si condensa in goccioline. E queste goccioline tracciano il percorso che i raggi cosmici hanno fatto attraverso la camera.

Quando vedi i percorsi che questi muoni fanno, pensa a questo: Queste particelle subatomiche scendono a razzo verso la Terra al 98% della velocità della luce.

Si muovono così velocemente che sperimentano la dilatazione del tempo prevista dalla teoria della relatività speciale di Einstein. Si suppone che decadano – cioè si scompongano in componenti più piccoli, elettroni e neutrini – in soli 2,2 microsecondi, il che significa che arriverebbero a malapena a 2.000 piedi dalla cima dell’atmosfera prima di morire. Ma poiché si muovono così velocemente, rispetto a noi, invecchiano 22 volte più lentamente (una cosa simile è successa al personaggio di Matthew McConaughey nel film Interstellar, quando ha accelerato la sua velocità relativa in prossimità di un buco nero). Per fortuna, sono innocui, si muovono così velocemente che non hanno il tempo di sferrare un pugno d’impatto nel tuo corpo. Gli scienziati possono fare cose interessanti con i muoni, come usarli per fotografare l’interno della Grande Piramide in Egitto.

Ricorda che questi raggi sono stati potenzialmente spinti da forze provenienti da oltre il nostro sistema solare, da forze che nessun fisico comprende. Questo è chiaramente impressionante.

“I nostri colleghi fisici teorici sono perplessi” su come queste particelle sono eccitate, dice Charles Jui, un fisico dell’Università dello Utah a caccia di raggi cosmici. “

I raggi cosmici, spiegati

Il mistero dei raggi cosmici è iniziato con la loro scoperta nel 1912. È quando il fisico Victor Hess fece un giro su una mongolfiera e scoprì che la quantità di radiazioni nell’atmosfera aumenta più si va in alto.

Si trovava sul pallone per isolare il suo esperimento dalle radiazioni. Ma era solo più rumoroso più in alto. Questo lo portò a concludere che le radiazioni provenivano dallo spazio e non dalla radioattività delle rocce della terra.

Ha anche fatto questo giro in pallone durante un’eclissi solare totale. Con la luna che bloccava il sole, le radiazioni cosmiche provenienti dal sole avrebbero dovuto essere filtrate. Ma lui ne registrò ancora qualcuna. Questo lo portò all’intuizione che le radiazioni non provenivano dal sole, ma dallo spazio più profondo. La sua scoperta dei raggi cosmici gli valse il premio Nobel per la fisica nel 1936.

La particella di raggi cosmici a più alta energia mai registrata, chiamata la particella “Oh-My-God”, era circa 2 milioni di volte più energetica del protone più potente spinto dal Large Hadron Collider, l’acceleratore di particelle più potente del mondo.

Quell’energia, spiega Antonella Castellina, un’astrofisica italiana dell’Osservatorio Pierre Auger, è simile a quella di un professionista del tennis che colpisce una palla con tutta la sua forza. Ora, non sembra molto. Ma immaginate tutta quell’energia compressa in un’area più piccola di un atomo – questo è estremo. È abbastanza energia per accendere una lampadina per un secondo o più. “Nessuno sa cosa nell’universo sia in grado di dare a una particella subatomica una tale energia”, dice.

Più di questo, gli scienziati sono perplessi su come una tale particella possa raggiungere la Terra. Si pensa che le particelle con energie così alte interagiscano con la radiazione rimasta dal Big Bang e dalla creazione dell’universo, che dovrebbe metterle fuori gioco prima che ci raggiungano.

Cosa abbia creato la particella “Oh-My-God” e raggi cosmici altrettanto potenti è un mistero completo e sconcertante. (Potreste pensare: perché chiamiamo queste particelle “raggi”? È un termine un po’ improprio che è rimasto in circolazione da quando sono stati scoperti un secolo fa. Sono anche chiamate “astroparticelle”. Ma i raggi cosmici suonano più fighi, quindi continueremo con quello)

I raggi cosmici sono stati scoperti 100 anni fa. Quindi potreste pensare: Perché non riusciamo a capire cosa ci spara questi raggi cosmici?

Bene, sappiamo che alcuni raggi cosmici vengono dal sole. Ma i più forti, i più misteriosi, provengono dalla grande via d’uscita della galassia e dell’universo.

Il problema di cercare le fonti di questi raggi cosmici di altissima energia è che i raggi non viaggiano sempre in linea retta. I vari campi magnetici della galassia e dell’universo li deviano e li mettono su percorsi tortuosi.

Molti dei raggi cosmici che colpiscono la Terra – in particolare quelli che vengono dal nostro sole – vengono deviati verso i poli a causa del campo magnetico terrestre. Ecco perché abbiamo l’aurora boreale e l’aurora australe vicino ai poli.

Sono in corso alcuni grandi progetti per capire meglio da dove vengono questi raggi cosmici. Uno coinvolge un enorme blocco di ghiaccio al Polo Sud.

Un enorme blocco di ghiaccio al Polo Sud è un gigantesco rivelatore di raggi cosmici

Non c’è molta vita in fondo al mondo, tranne che per i fisici. Lì, al polo sud, hanno costruito l’IceCube Neutrino Observatory, forgiato direttamente nel ghiaccio sotto la superficie del Polo Sud.

È un blocco di 1 chilometro cubo (circa 1,3 miliardi di metri cubi) di ghiaccio cristallino circondato da sensori. Questi sensori sono impostati per rilevare quando le particelle subatomiche chiamate neutrini – che viaggiano insieme ad altre particelle subatomiche nei raggi cosmici – si schiantano sulla Terra.

Come funziona non è molto diverso dall’esperimento della camera a nubi che vi abbiamo mostrato sopra. Sta cercando di tracciare il percorso che un tipo molto speciale di raggio cosmico – chiamato neutrino – fa attraverso l’osservatorio.

I neutrini sono diversi dagli altri componenti dei raggi cosmici in un modo molto importante: Non interagiscono affatto con altre forme di materia. Non hanno alcuna carica elettrica. Questo significa che viaggiano attraverso l’universo in una linea relativamente dritta, e noi possiamo risalire a una fonte.

“Se faccio brillare una torcia attraverso un muro, la luce non passa”, mi ha detto Naoko Kurahashi Neilson, un fisico delle particelle alla Drexel University. “Questo perché le particelle di luce, i fotoni, interagiscono con le particelle nel muro e non possono penetrare. Se avessi una torcia per neutrini, quel flusso di neutrini passerebbe attraverso il muro.”

Ma ogni tanto un neutrino – forse uno su 100.000 – colpirà un atomo nel ghiaccio dell’osservatorio e lo farà a pezzi: La collisione produce altre particelle subatomiche, che vengono poi spinte a una velocità superiore a quella della luce mentre passano attraverso il ghiaccio.

Potresti aver sentito dire che nulla può viaggiare più veloce della luce. Questo è vero, ma solo nel vuoto. I fotoni che compongono la luce (una particella subatomica a sé stante) in realtà rallentano un po’ quando entrano in una sostanza densa come il ghiaccio. Ma altre particelle subatomiche, come muoni ed elettroni, non rallentano.

Quando le particelle si muovono più velocemente della luce attraverso un mezzo come il ghiaccio, brillano. Si chiama radiazione Cherenkov. E il fenomeno è simile a quello di un boom sonico. Quando le particelle si muovono più velocemente della luce, lasciano scie di una luce blu inquietante, come un motoscafo lascia scie nell’acqua. Ecco una rappresentazione artistica di come appare il tutto. Il neutrino è la forma a goccia in grigio.

Altri osservatori che cercano i raggi cosmici sono altrettanto enormi

L’Osservatorio Pierre Auger, dove lavora Castellina, utilizza una serie di 1.600 serbatoi, ciascuno riempito con 3.000 galloni di acqua. I serbatoi sono sparsi per più di 1.000 miglia quadrate a Mendoza, Argentina.

I serbatoi funzionano come il blocco di ghiaccio al Polo Sud. Ma invece di usare il ghiaccio per registrare i raggi cosmici, usano l’acqua. Le vasche sono completamente nere come la pece all’interno. Ma quando i raggi cosmici – più che neutrini – entrano nelle vasche, causano piccole esplosioni di luce, attraverso la radiazione Cherenkov, poiché superano la velocità della luce in acqua.

Se molti dei serbatoi registrano una raffica di raggi cosmici allo stesso tempo, gli scienziati possono poi lavorare a ritroso e capire l’energia della particella che ha colpito in cima all’atmosfera. Possono anche fare un’ipotesi approssimativa sul punto del cielo da cui la particella è stata sparata.

Nell’emisfero settentrionale, c’è un esperimento simile nello Utah chiamato “telescope array”. Come i serbatoi in Sud America, l’array nello Utah ha una serie di rivelatori sparsi su un’area enorme. Attualmente, occupa circa 300 miglia quadrate, ma c’è un aggiornamento in cantiere che lo espande fino a 1.200 miglia quadrate. (Più grande è l’area, maggiore è la possibilità di individuare i raggi cosmici più elusivi e potenti.)

I rivelatori nello Utah sono fatti di plastica acrilica super trasparente, e sono alloggiati in unità che assomigliano a letti d’ospedale.

Se molti dei rilevatori registrano un colpo in sequenza (pensate alle particelle che colpiscono il suolo tutte insieme come pallini su un bersaglio), “si può ricostruire la direzione” da cui provengono, dice Jui, il fisico dell’Università dello Utah che lavora all’array.

L’osservatorio può anche fare qualcosa di bello. Nelle notti molto limpide e buie nel deserto dello Utah, può effettivamente vedere le deboli scie dei raggi cosmici che si accendono nella nostra atmosfera.

“L’idea è che si può vedere la doccia d’aria svilupparsi nell’atmosfera utilizzando telecamere a ultravioletti”, dice Jui. “Queste sono telecamere che stanno prendendo video, su pochi microsecondi, dieci fotogrammi al microsecondo, e poi si può effettivamente vedere la linea estesa nel cielo, e misurare l’energia da questo.”

Puoi aiutare la ricerca dei raggi cosmici

Con abbastanza dati su questi raggi cosmici ad alta energia, gli scienziati sperano un giorno di individuare meglio la loro provenienza nel cielo.

Il problema è che in questo momento non hanno abbastanza osservazioni dei raggi cosmici più potenti.

Ci vorrà del tempo perché i raggi cosmici più potenti non passano attraverso i rivelatori troppo frequentemente: Ogni chilometro quadrato della Terra vede solo una di queste particelle al secolo. E per tenere conto del fatto che questi raggi non viaggiano spesso in linea retta, ci vorrà una montagna di dati.

Ma abbiamo già alcuni indizi. L’osservatorio Pierre Auger ha alcuni dati (non ancora conclusivi) che alcune di queste particelle ad alta energia provengono da galassie starburst, che sono galassie che stanno formando stelle ad un ritmo molto veloce. Il gruppo di Jui ha concluso che circa un quarto dei raggi cosmici più potenti osservati provengono da un cerchio grande circa il 6% del cielo notturno, vicino alla costellazione dell’Orsa Maggiore. Ma si tratta di un’enorme area di spazio, e non c’è una pistola fumante evidente nella regione.

Altri indizi continuano ad arrivare. L’estate scorsa, gli scienziati dell’osservatorio IceCube hanno pubblicato prove interessanti che le galassie chiamate blazar generano alcune di queste particelle ad alta energia. I blazar hanno al loro centro buchi neri supermassicci che distruggono la materia nelle sue parti costitutive, e poi fanno esplodere le particelle subatomiche come un cannone laser nello spazio.

Qui c’è una rappresentazione dell’artista che è molto, molto poco in scala, che mostra un blazar che spara un fascio di raggi cosmici verso la Terra.

I risultati attuali non possono ancora spiegare i più potenti raggi cosmici rilevati su record. Hanno anche bisogno di essere ripetuti.

C’è anche la possibilità che alcuni dei raggi siano prodotti da forze e oggetti che attualmente non conosciamo – o che interagiscano con cose misteriose come la materia oscura, in modi che ancora non comprendiamo. Potrebbero essere alieni, ma ne dubito.

Quello di cui gli scienziati hanno bisogno sono più dati, più osservazioni per essere in grado di individuare le fonti nel cielo da cui provengono queste particelle.

E presto, potrai partecipare alla ricerca. Il tuo telefono può essere trasformato in un rilevatore di raggi cosmici. Daniel Whiteson è un fisico dell’Università della California Irvine che ha lavorato a un progetto sui raggi cosmici basato sul crowd-sourced. Si chiama Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).

“Il numero di particelle che stanno colpendo l’atmosfera con energie folli, è davvero grande. È nell’ordine dei milioni”, dice Whiteson. Ma gli osservatori come il Pierre Auger – anche se enormi – non sono abbastanza grandi per individuarne la maggior parte. “Se potessimo costruire un telescopio abbastanza grande che coprisse enormi porzioni di terra, potremmo raccogliere molti dati molto rapidamente”. La fotocamera del tuo telefono funziona perché i fotoni – la particella subatomica che costituisce la luce – attiva un sensore sul retro della lente. Anche i raggi cosmici possono attivare il sensore. (Di tanto in tanto, inoltre, un raggio cosmico può interferire con un microprocessore e causare il crash di un computer).

“Se metti la fotocamera del telefono a faccia in giù, la maggior parte è bloccata, e otterresti una foto nera”, spiega. “Ma le particelle provenienti dallo spazio, passeranno proprio attraverso il telefono, il soffitto o il muro, e colpiranno il , e lasceranno una traccia.”

La speranza è che milioni di utenti possano accendere l’applicazione di notte mentre dormono, e cercherà questi raggi cosmici. Con abbastanza telefoni, Whiteson spera, lui e i suoi colleghi possono ottenere un quadro migliore della provenienza dei raggi cosmici. Il progetto non è ancora partito. Ma puoi iscriverti ora per diventare un beta tester quando l’app sarà pronta.

I fisici non si arrenderanno presto. L’esistenza dei raggi cosmici ad alta energia ci dice che la nostra comprensione dell’universo è tristemente incompleta.

“Questo è uno dei fenomeni più violenti” nell’universo, dice Jui. Non vuoi scoprire cosa li causa?

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