Un quasar troppo energetico, una nuova particella elementare potrebbe risolverne l’enigma.

 

Un quasar troppo energetico: una nuova particella elementare potrebbe risolverne l’enigma

I telescopi Magic hanno osservato un quasar emettere fotoni di altissima energia in modo anomalo e non spiegabile dalle attuali teorie. I ricercatori di INAF, INFN e Università dell’Insubria pubblicano oggi sulla rivista scientifica internazionale Physical Review Duna possibile spiegazione del fenomeno.

 

 

 

 

Un quasar che improvvisamente inizia a emettere un’enorme quantità di radiazione gamma, registrata dai due telescopi MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov), sull’isola di La Palma nell’arcipelago delle Canarie. Troppa radiazione e con valori di energie troppo elevati stando alle attuali teorie che descrivono i meccanismi fisici alla base dell’emissione di radiazione da questi corpi celesti. Ma una possibile interpretazione, assai suggestiva, c’è. L’anomalia osservata, infatti, potrebbe essere spiegata con l’esistenza di una particella elementare finora mai osservata, ma teorizzata da diverse estensioni del Modello 

Standard, la teoria che al momento meglio descrive le proprietà e le interazioni dei più piccoli “mattoni” della materia. A proporre questo nuovo scenario, in un articolo appena pubblicato sulla rivista Physical Review D, sono quattro ricercatori italiani: Fabrizio Tavecchio (INAF, Osservatorio di Brera), Marco Roncadelli (INFN, Pavia), Giorgio Galanti (Università dell’Insubria) e Giacomo Bonnoli (INAF, Osservatorio di Brera). Tutto ha inizio nel giugno del 2010, quando Fermi, l’esperimento su satellite della NASAa cui partecipano anche INFN e INAF, rivela un impressionante aumento della luminosità di un quasar fino ad allora piuttosto tranquillo, denominato PKS 1222+216. La notizia spinge gli astrofisici dei telescopi MAGIC a puntare i loro strumenti verso quella sorgente. Con grande sorpresa, MAGIC rileva un’intensa emissione variabile nel tempo: in appena dieci minuti, il flusso registrato raddoppia il proprio valore. I risultati di MAGIC sono inaspettati. Da un lato, infatti, la variazione di dieci minuti indicherebbe che la regione che emette i fotoni gamma abbia dimensioni molto ridotte e che quindi fosse presumibilmente molto prossima al “motore” centrale del quasar, dove la materia “spiraleggia” e viene “ingoiata” da un buco nero supermassiccio. D’altro lato, però, questa regione dovrebbe essere estremamente opaca ai raggi gamma di energia così elevata e dovrebbe rilasciare principalmente raggi ultravioletti e X, perché i fotoni gamma, interagendo facilmente con la radiazione elettromagnetica di queste frequenze, scompaiono trasformandosi in coppie elettrone-positrone. L’interpretazione più immediata potrebbe far supporre che, malgrado l’estrema piccolezza, la regione di produzione si trovi lontano dal motore centrale. Ma questa soluzione è semplice solo sulla carta perché costringe a ipotizzare l’esistenza di nuovi meccanismi che possano portare a un’emissione così intensa. Quindi un deciso cambio di prospettiva potrebbe essere decisivo per trovare una soluzione. Diverse teorie sviluppate per estendere il Modello Standard prevedono l’esistenza di particelle elementari ultraleggere, collettivamente note con l’acronimo ALP (Axion-Like Particle). Una caratteristica di queste ipotetiche particelle è che esse non interagiscano con alcuna particella nota tranne che con il fotone. Così un raggio gamma si trasformerebbe – in presenza di un campo magnetico – in una ALP e viceversa. Queste trasformazioni vengono chiamate “oscillazioni” fotone-ALP e potrebbero essere la chiave per risolvere l’enigma dell’emissione proveniente da PKS 1222+216 . Un grande numero di raggi gamma potrebbe diventare ALP prima di subire l’assorbimento e quindi fuoriuscire “indenni” dalla regione centrale del quasar, per poi riconvertirsi in raggi gamma ed essere rivelati dai telescopi. “È importante sottolineare che il nostro è uno scenario possibile e attraente ma non è l’unico”, commenta Fabrizio Tavecchio. “Sono state avanzate altre proposte: tutte, però, assumono che i raggi gamma siano emessi da regioni molto distanti dal buco nero e questo è molto difficile da riconciliare con il breve tempo di variabilità. L’osservatorio per raggi gamma CTA (Cherenkov Telescope Array), programmato per il prossimo decennio, permetterà di studiare con molta più profondità questo tipo di eventi, e quindi ci potrà aiutare a convalidare o rigettare il modello”. La stessa fiducia sui nuovi esperimenti in programma la ripone anche Marco Roncadelli che sottolinea: “Un fatto intrigante è che il valore dell’oscillazione fotone-ALP in questo caso coincide con quello proposto da De Angelis e me per spiegare un’anomalia osservata anche nei blazar, e la conferma o la smentita della nostra proposta è alla portata sia di CTA che dell’esperimento ALP a DESY, il laboratorio di fisica delle particelle di Amburgo”.

Il contributo italiano a MAGIC

L’INFN è stato tra i fondatori del telescopio gamma binoculare MAGIC, il più grande al mondo, contribuendo a gran parte della superficie riflettente e dell’elettronica. Attualmente partecipa all’esperimento con i gruppi delle Università di Padova, Udine, Trieste, Siena e Como. L’INAF è entrato nell’esperimento MAGIC nel 2006 realizzando una parte degli specchi del secondo telescopio. Gli scienziati dell’INFN e dell’INAF contribuiscono alle attività tecniche e scientifiche dell’esperimento partecipando attivamente alla definizione dei programmi scientifici, alla presa dati e alla loro analisi e interpretazione.

Antonella Varaschin,  INFN

Marco Galliani,  INAF