Con i neutrini l’astronomia cambierà per sempre

L’astronomia è una scienza “inclusiva” e utilizza tutti i possibili canali di informazione per studiare gli oggetti celesti. I telescopi, sia quelli a terra sia quelli nello spazio, raccolgono e studiano i fotoni emessi dai corpi celesti, ma abbiamo imparato che esistono altre finestre per studiare l’Universo. Abbiamo visto nascere l’astronomia gravitazionale, grazie alle prime rivelazioni di onde gravitazione degli scorsi anni, ed ora assistiamo alla nascita dell’astronomia basata sui neutrini . In verità quello che conta non è solo la rivelazione di un’onda gravitazionale o di un neutrino ma la possibilità di associare queste osservazioni a sorgenti di fotoni . Infatti, solo grazie ai fotoni possiamo risalire all’oggetto celeste responsabile dell’emissione.

Si chiama astronomia multimessaggero, appunto perché coniuga diversi messaggeri celesti.  Gli astronomi e i fisici da tempo lavoravano fianco a fianco, ma tutto è giunto a maturità nell’estate del 2017. Prima, il 17 agosto ,c’è stata l’onda gravitazione GW170817, prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni, che è stata studiata da astronomi di mezzo mondo, poi, il 22 settembre è stata la volta di IC-170922A, un neutrino molto energetico rivelato dallo strumento IceCube, che opera immerso nei ghiacci dell’Antartide.


Così IceCube ha visto il neutrino IC-170922A. Le dimensioni dei pallini sono proporzionali all’intensità del segnale registrato nei singoli rivelatori mentre i diversi colori riflettono il tempo di arrivo. Prima sono stati registrati i rossi, poi i verdi, infine i blu per una durata totale dell’attraversamento di 4 microsecondi. La freccia rappresenta la ricostruzione della direzione d’arrivo del neutrino  

 

L’energia del neutrino era  così alta da fare escludere ogni origine “locale”. Doveva essere di provenienza cosmica. Dal momento che i neutrini viaggiano in linea retta, come i fotoni, IceCube ha lanciato una allerta neutrino chiedendo a tutti i telescopi disponibili di osservare la regione, nella costellazione di Orione, dalla quale era stato visto arrivare il neutrino.  L’allerta era principalmente rivolta ai telescopi gamma che sono operativi in orbita ed al suolo perché i processi fisici che producono neutrini di alta energia, attraverso interazione di protoni molti energetici, devono produrre anche raggi gamma di alta energia. 

Il telescopio Fermi, una missione per studiare il cielo gamma della NASA alla quale l’Italia partecipa in modo importante attraverso ASI, INAF e INFN, ha notato la presenza di una sorgente che appariva più brillante del solito. Si trattava di TXS 0506+056, una galassia attiva già catalogata, che emette raggi gamma in virtù della presenza di un mostruoso buco nero centrale.  


 Immagine del cielo gamma visto da Fermi LAT (a sinistra) e da MAGIC (a destra). Le ellissi grigio e rossa rappresentano l’area di incertezza della ricostruzione della direzione di arrivo del neutrino (rispettivamente al 50% e 90%) che è rappresentata dal quadratino verde (il quadratino giallo è la posizione comunicata a caldo nel Telegramma astronomico con l’allerta neutrino). Il cerchietto verde è invece la posizione della sorgente del catalogo Fermi che coincide con TXS 0506+056. Le immagini mostrano chiaramente che nella regione di provenienza del neutrino, oltre a TXS.., non ci sono altre sorgenti “accese”

 

L’attività aumentata della galassia non è sfuggita al satellite AGILE, una missione tutta italiana, nata dalla collaborazione di ASI, INAF ed INFN, sempre dedicata allo studio dei raggi gamma. Poi è entrato in azione lo strumento MAGIC alle Canarie, due enormi specchi che rivelano la luce emessa dalla cascata di particelle prodotte dei fotoni gamma quando entrano nell’atmosfera. MAGIC ha rivelato fotoni gamma mille volte più energetici di quelli di Fermi.  WOW !

La galassia era chiaramente in uno stato eccitato a seguito di qualche evento accaduto nelle vicinanze del buco nero che aveva fatto aumentare la produzione di energia, probabilmente accelerando protoni  che poi, interagendo tra loro, avevano dato origine sia al neutrino che ai raggi gamma.  La misura della distanza di TXS 0506+056 ci dice che tutto era avvenuto 4,5 miliardi di anni fa, quando la terra (insieme a tutto il sistema solare) si stavano ancora formando.  Aggiungiamo che di neutrini ne sono stati sicuramente prodotti moltissimi, ma si tratta di particelle molto difficili da rivelare ed è una fortuna che uno di loro sia stato visto da IceCube.

Grazie alla coincidenza spaziale tra la direzione di arrivo del neutrino IC-170922A e la galassia eccitata TXS 0506+056, il 22 settembre 2017 è nata una nuova accoppiata nell’astronomia multimessaggero: neutrini e fotoni e gli astrofisici italiani hanno partecipato da protagonista.