Rilevato un neutrino cosmico ultra-energetico emesso da un blazar

Nel 2012, il telescopio spaziale Fermi ha rilevato un improvviso lampo di luce emesso 10 miliardi di anni prima dal buco nero che si cela nel cuore della galassia PKS B1424-418. Ora, nuove analisi dei dati raccolti da Fermi e da altri strumenti hanno associato a questo potente evento l'emissione di un neutrino da record.

"I neutrini sono le particelle fondamentali più veloci, leggere, asociali e misteriose, e solo ora siamo in grado di rilevare quelli più energetici di origine extragalattica," spiega Roopesh Ojha della NASA. "La nostra ricerca fornisce la prima plausibile emissione di un neutrino cosmico da un singolo oggetto extragalattico."

A sinistra, il totale di 300 giorni di osservazioni del blazar attorno all'8 Luglio 2011. A destra, altri 300 giorni centrati sul 27 Febbraio 2013, in seguito all'improvvisa attività del blazar. Credit: NASA/DOE/LAT Collaboration

Nonostante l'universo sia popolato da molti più neutrini che atomi, la natura di queste misteriose particelle fa sì che raramente interagiscano con la materia, rendendole particolarmente difficili da rilevare. Tuttavia, questa stessa proprietà li rende in grado di scappare da ambienti estremi, come il nucleo di una stella in fase di collasso gravitazionale, e pertanto trasportano informazioni ancor più preziose di quelle della luce.

La punta di diamante dello studio di neutrini sulla superficie terrestre è l'esperimento IceCube, situato nel polo sud. L'interazione dei neutrini cosmici con gli atomi del ghiaccio alimenta una cascata di particelle cariche che, muovendosi a grandi velocità, emettono una debole emissione ottica, detta radiazione Cerenkov, che viene poi rilevata dalle migliaia di sensori che costellano il chilometro cubo dell'esperimento. La magnitudine della radiazione emessa è indicativa dell'energia del neutrino responsabile.

Il 4 Dicembre 2012, IceCube ha rilevato quello che all'epoca era il suo più energetico neutrino di sempre. Soprannominato Big Bird, il neutrino aveva un'energia di 2 biliardi di elettronvolt (petaelettronvolt, PeV). Una particella meno di un milione di volte più leggera di un elettrone con un'energia pari a mille miliardi di volte quella di una radiografia dentale. Da allora, IceCube ha rilevato solo un neutrino più energetico di Big Bird.

Purtroppo, la bassa risoluzione spaziale di IceCube si è tradotta in un'incertezza sull'origine del neutrino di ben 32 gradi di diametro, pari alle dimensioni apparenti di ben 64 lune piene.

Le osservazioni radio di TANAMI a una frequenza d'onda di 8.4 GHz. Credit: TANAMI

Nell'estate del 2012, lo strumento LAT a bordo di Fermi ha registrato un improvviso bagliore provenire dal blazar a raggi gamma PKS B1424-418. I blazar sono galassie attive, illuminate dalla materia in caduta libera verso il buco nero, milioni di volte più massiccio del nostro Sole, al centro della galassia. Parte del materiale viene espulso dal buco nero lungo due getti polari diametralmente opposti. Nei blazar, questi getti sono casualmente puntati in direzione del nostro pianeta.

In seguito all'improvviso evento, la galassia è rimasta 15-30 volte più luminosa di prima ai raggi gamma per un intero anno. La galassia si trova all'interno dell'area di incertezza nelle misurazioni di IceCube. Nella stessa porzione di cielo, tuttavia, si trovano molte altre galassie attive.

Gli scienziati hanno poi analizzato i dati raccolti nell'ambito dell'esperimento TANAMI, che dal 2007 utilizza una serie di telescopi in Australia, Cile, Sudafrica, Nuova Zelanda e Antartide per monitorare un centinaio di galassie attive nel cielo australe. Unendo le loro forze, i vari rilevatori di TANAMI operano come un singolo radiotelescopio largo oltre 9600 chilometri.

Tra il 2011 e il 2013, TANAMI ha ottenuto tre osservazioni radio di PKS B1424-418, rivelando che le regioni centrali del getto della galassia erano diventate quattro volte più luminose di prima - un record per l'esperimento.

"Abbiamo setacciato il campo di incertezza di Big Bird alla ricerca di oggetti astrofisici in grado di produrre particelle e luce ad alta energia," spiega Felicia Krauss dell'Università di Erlangen-Norimberga. "C'è stato un momento di sorpresa e meraviglia quando ci siamo accorti che il più drammatico evento che avevamo mai osservato in un blazar era avvenuto proprio al momento giusto, al posto giusto."

I ricercatori sospettano che l'improvviso bagliore rilasciato da PKS B1424-418 e l'emissione di Big Bird siano correlati. Le probabilità che si tratti di una coincidenza del tutto casuale sono pari a meno del 5 percento.

Alla ricerca si sono aggiunti i dati raccolti dal telescopio spaziale WISE, che hanno contribuito alla misurazione dell'energia rilasciata dall'evento attraverso tutto lo spettro elettromagnetico. I risultati confermano che le energie in questione erano abbastanza elevate da consentire l'emissione di un neutrino così energetico.

"Considerando tutte le osservazioni, pare che il blazar avesse il mezzo, il movente e l'opportunità per espellere il neutrino Big Bird, il che lo rende il nostro principale sospettato," spiega Matthias Kadler dell'Università di Wuerzburg.

I ricercatori continueranno ad analizzare i dati per confermare il collegamento tra questi due drammatici eventi, mentre la collaborazione tra IceCube e Fermi promette di regalarci ancore molte scoperte sorprendenti.

Photo credit: NASA’s Goddard Space Flight Center