Raggi cosmici

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Introduzione

Raggi cosmici Fasci di particelle elementari ad alta energia provenienti dallo spazio interstellare. Sono stati scoperti quando si osservò che la conduttività elettrica dell’atmosfera terrestre poteva essere attribuita a fenomeni di ionizzazione causati dall’interazione con una radiazione energetica.

Nel 1911-12 il fisico statunitense Victor Franz Hess dimostrò che la ionizzazione dei gas che costituiscono l’atmosfera aumenta con l’altitudine e dedusse che la radiazione responsabile di questo fenomeno doveva provenire dallo spazio esterno. La scoperta, poi, che l’intensità della radiazione dipende dalla latitudine implica che le particelle che la costituiscono siano elettricamente cariche e vengano pertanto deflesse dal campo magnetico terrestre.

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Proprietà

I tre parametri principali che caratterizzano le particelle dei raggi cosmici sono la carica elettrica, la massa a riposo e l’energia; quest’ultima dipende dalla massa e dalla velocità. Tutti i metodi di rivelazione dei raggi cosmici forniscono informazioni circa i precisi legami di queste tre grandezze. Ad esempio, la traccia lasciata da un raggio cosmico in un’emulsione fotografica dipende dalla carica e dalla velocità, e può essere confrontata con il valore dell’energia ottenuto per mezzo di uno spettrometro a ionizzazione. I rivelatori per raggi cosmici sono collocati su palloni o sonde posti al di fuori dell’atmosfera; in corrispondenza di un valore fissato della carica e della massa, essi permettono di calcolare il numero di particelle caratterizzate da un determinato valore dell’energia.

I raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni (87%) e da particelle alfa (12%), ma contengono anche piccole percentuali di elementi pesanti. Per comodità gli astronomi dividono gli elementi chimici in leggeri (litio, berillio e boro), medi (carbonio, azoto, ossigeno e fluoro) e pesanti (tutti gli altri elementi).

Gli elementi leggeri, che costituiscono lo 0,25% dei raggi cosmici, rappresentano solo 1 miliardesimo di tutta la materia dell’universo; si ritiene pertanto che la loro presenza nei raggi cosmici sia il risultato della frammentazione di elementi pesanti entrati in collisione con protoni, nel corso del loro viaggio attraverso lo spazio interstellare. Dalle abbondanze degli elementi leggeri nei raggi cosmici si può dedurre che questi ultimi devono passare attraverso una quantità di materia equivalente a uno strato d’acqua spesso circa 4 cm.

Gli elementi di massa media sono dieci volte più abbondanti (e quelli pesanti cento volte) che nella materia normale, e ciò suggerisce che almeno le fasi iniziali dell’accelerazione fino all’energia osservata avvengano in regioni ricche di elementi pesanti.

L’energia dei raggi cosmici viene misurata in gigaelettronvolt (cioè miliardi di elettronvolt, GeV) per protone o neutrone nel nucleo atomico considerato. La distribuzione di energia dei protoni mostra un picco al valore 0,3 GeV, che corrisponde a due terzi della velocità della luce; tale distribuzione cala a energie maggiori, benché studiando le cascate di particelle secondarie create quando i raggi cosmici collidono con i nuclei dell’atmosfera siano state rivelate indirettamente particelle di energia fino a 10¹¹ GeV. In media, l’energia immagazzinata nei raggi cosmici della nostra galassia, la Via Lattea, è dell’ordine di 1 elettronvolt per centimetro cubo.

Anche un campo magnetico molto debole può deviare i raggi cosmici dal loro cammino rettilineo; ad esempio, un campo di 3× 10^-6 G (che si pensa essere quello presente nello spazio interstellare), è sufficiente per indurre un protone di 1 GeV a “spiraleggiare” su un’orbita di raggio uguale a 10^-6 anni luce (10 milioni di km) e una particella di 10¹¹ GeV a compiere una traiettoria avente un raggio di 10⁵ anni luce, cioè delle dimensioni approssimative della nostra galassia.

Il campo magnetico interstellare impedisce quindi ai raggi cosmici di giungere sulla Terra in linea retta, e ciò rende difficile la localizzazione della sorgente; essi sembrano essere distribuiti in modo isotropo, qualunque valore di energia si consideri.

Negli anni Cinquanta del Novecento fu scoperta l’emissione radio proveniente dal piano della Via Lattea; essa fu interpretata come radiazione di sincrotrone causata da elettroni energetici che spiraleggiano a causa del campo magnetico interstellare. L’intensità della componente di elettroni dei raggi cosmici, circa l’1% di quella dovuta ai protoni di uguale energia, si accorda con il valore dell’emissione radio calcolato, in generale, per lo spazio interstellare.

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Produzione

La sorgente dei raggi cosmici non è ancora certa. Nelle fasi attive il Sole emette raggi cosmici di bassa energia, ma questi eventi sono di gran lunga troppo poco frequenti per spiegare la gran quantità di raggi cosmici rivelati. Neppure le altre stelle simili al Sole sono sorgenti di energia sufficiente.

Le esplosioni di supernovae sono responsabili almeno dell’accelerazione iniziale di una frazione significativa di raggi cosmici; inoltre, i resti di tali esplosioni sono intense sorgenti radio. La frequenza calcolata di esplosioni di supernovae e le osservazioni con i telescopi indicano che queste sorgenti potrebbero fornire sufficiente energia per bilanciare quella persa dai raggi cosmici della nostra galassia, che è di circa 10³⁴ joule per secondo. Si ritiene che le supernovae siano il luogo di formazione dei nuclei degli elementi pesanti; se fossero anche la sorgente dei raggi cosmici sarebbe facilmente spiegata l’alta percentuale di questi elementi in essi contenuta. L’ulteriore accelerazione potrebbe prodursi nello spazio interstellare come risultato delle onde di shock che si propagano in quelle regioni.

Altre teorie, comunque, suggeriscono che i raggi cosmici potrebbero provenire dalle binarie X come Cygnus X-3, cioè da sistemi in cui una stella normale perde massa a favore di un compagno, che può essere una stella di neutroni o un buco nero.

Gli studi radioastronomici mostrano che anche le altre galassie contengono elettroni di alta energia. I nuclei di alcune galassie, inoltre, sono molto più luminosi della Via Lattea, in particolare nella gamma delle radioonde, e ciò indica che vi sono localizzate sorgenti di particelle energetiche. Il meccanismo fisico che produce tali particelle non è tuttavia noto.