Raggi cosmici: i viaggiatori più veloci dell'universo

I raggi cosmici sembrano una sorta di minaccia di fantascienza dallo spazio. Si scopre che in quantità sufficientemente elevate lo sono. D'altra parte, i raggi cosmici passano attraverso di noi ogni giorno senza fare molto (se nessun danno). Quindi, quali sono questi misteriosi pezzi di energia cosmica?

Il termine "raggio cosmico" si riferisce a particelle ad alta velocità che viaggiano nell'universo. Sono ovunque. È molto probabile che i raggi cosmici siano passati attraverso il corpo di tutti in un momento o nell'altro, in particolare se vivono in alta quota o sono volati in aereo. La Terra è ben protetta contro tutti tranne il più energico di questi raggi, quindi non rappresentano un pericolo per noi nella nostra vita quotidiana.

I raggi cosmici forniscono indizi affascinanti su oggetti ed eventi altrove nell'universo, come la morte di stelle massicce (chiamate esplosioni di supernova) e attività sul Sole, quindi gli astronomi le studiano usando palloni ad alta quota e strumenti spaziali. Quella ricerca sta fornendo nuove interessanti intuizioni sulle origini e l'evoluzione delle stelle e delle galassie nell'universo.

I raggi cosmici sono particelle cariche di energia estremamente elevata (di solito protoni) che si muovono quasi a velocità della luce. Alcuni provengono dal Sole (sotto forma di particelle energetiche solari), mentre altri vengono espulsi da esplosioni di supernova e altri eventi energetici nello spazio interstellare (e intergalattico). Quando i raggi cosmici si scontrano con l'atmosfera terrestre, producono docce di quelle che vengono chiamate "particelle secondarie".

L'esistenza dei raggi cosmici è nota da oltre un secolo. Sono stati trovati per la prima volta dal fisico Victor Hess. Lanciò elettrometri ad alta precisione a bordo di palloni meteorologici nel 1912 per misurare il tasso di ionizzazione degli atomi (ovvero, quanto velocemente e con quale frequenza vengono eccitati gli atomi) in strati superiori dell'atmosfera terrestre. Quello che scoprì fu che il tasso di ionizzazione era molto maggiore quanto più in alto si sale nell'atmosfera - una scoperta per la quale in seguito ha vinto il Premio Nobel.

Questo volò di fronte alla saggezza convenzionale. Il suo primo istinto su come spiegarlo fu che qualche fenomeno solare stava creando questo effetto. Tuttavia, dopo aver ripetuto i suoi esperimenti durante un'eclissi quasi solare, ha ottenuto gli stessi risultati, escludendo efficacemente qualsiasi origine solare per, pertanto, ha ha concluso che ci deve essere un certo campo elettrico intrinseco nell'atmosfera che crea la ionizzazione osservata, sebbene non sia riuscito a dedurre quale sia la fonte del campo sarebbe.

Passò più di un decennio più tardi prima che il fisico Robert Millikan fosse in grado di dimostrare che il campo elettrico nell'atmosfera osservato da Hess era invece un flusso di fotoni ed elettroni. Ha chiamato questo fenomeno "raggi cosmici" e hanno attraversato la nostra atmosfera. Ha anche determinato che queste particelle non provenivano dalla Terra o dall'ambiente vicino alla Terra, ma piuttosto provenivano dallo spazio profondo. La sfida successiva era capire quali processi o oggetti avrebbero potuto crearli.

Da quel momento, gli scienziati hanno continuato a usare palloncini volanti per superare l'atmosfera e campionare più di queste particelle ad alta velocità. La regione sopra l'Antartica al polo sud è un punto di lancio privilegiato e una serie di missioni ha raccolto più informazioni sui raggi cosmici. Qui, la National Science Balloon Facility ospita ogni anno numerosi voli carichi di strumenti. I "contatori di raggi cosmici" che trasportano misurano l'energia dei raggi cosmici, nonché le loro direzioni e intensità.

Il Stazione Spaziale Internazionalecontiene anche strumenti che studiano le proprietà dei raggi cosmici, incluso l'esperimento di Energetica e Massa (CREAM) dei raggi cosmici. Installato nel 2017, ha una missione di tre anni per raccogliere quanti più dati possibili su queste particelle in rapido movimento. CREAM in realtà è iniziato come un esperimento in mongolfiera e ha volato sette volte tra il 2004 e il 2016.

Poiché i raggi cosmici sono composti da particelle cariche, i loro percorsi possono essere modificati da qualsiasi campo magnetico con cui viene a contatto. Naturalmente, oggetti come stelle e pianeti hanno campi magnetici, ma esistono anche campi magnetici interstellari. Questo rende difficile prevedere dove (e quanto forte) i campi magnetici siano estremamente difficili. E poiché questi campi magnetici persistono in tutto lo spazio, appaiono in ogni direzione. Pertanto non sorprende che dal nostro punto di osservazione qui sulla Terra sembri che i raggi cosmici non sembrino arrivare da alcun punto nello spazio.

Determinare la fonte dei raggi cosmici si è rivelato difficile per molti anni. Tuttavia, ci sono alcune ipotesi che si possono assumere. Prima di tutto, la natura dei raggi cosmici come particelle cariche di energia estremamente elevata implicava che fossero prodotti da attività piuttosto potenti. Quindi eventi come supernovae o regioni attorno ai buchi neri sembravano essere candidati probabili. Il Sole emette qualcosa di simile ai raggi cosmici sotto forma di particelle altamente energetiche.

Nel 1949 il fisico Enrico Fermi suggerì che i raggi cosmici erano semplicemente particelle accelerate dai campi magnetici nelle nuvole di gas interstellari. E, poiché è necessario un campo piuttosto ampio per creare i raggi cosmici a più alta energia, gli scienziati hanno iniziato a considerare i resti di supernova (e altri grandi oggetti nello spazio) come la probabile fonte.

Nel giugno 2008 la NASA ha lanciato a telescopio a raggi gamma noto come Fermi - chiamato per Enrico Fermi. Mentre Fermi è un telescopio a raggi gamma, uno dei suoi principali obiettivi scientifici era determinare l'origine dei raggi cosmici. Insieme ad altri studi sui raggi cosmici effettuati da palloncini e strumenti spaziali, gli astronomi guardano ora ai resti di supernova, e oggetti esotici come buchi neri supermassicci come fonti per i raggi cosmici più energici rilevati qui Terra.

• I raggi cosmici provengono da tutto l'universo e possono essere generati da eventi come le esplosioni di supernova.
• Le particelle ad alta velocità vengono generate anche in altri eventi energetici come le attività quasar.
• Il Sole emette anche raggi cosmici nella forma o particelle energetiche solari.
• I raggi cosmici possono essere rilevati sulla Terra in vari modi. Alcuni musei hanno rilevatori di raggi cosmici come mostre.

• "Esposizione ai raggi cosmici". Radioattività: iodio 131, www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• NASA, NASA, imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS, www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

Modificato e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.