La luna per analizzare raggi cosmici ad alta energia

Gli astrofisici stanno trasformando l'intera Luna in un rivelatore di raggi cosmici ad altissima energia.

C’è un piano di 1,5 miliardi dollari a partire dal 2018 da completare entro il 2025.

Uno dei grandi misteri dell'astrofisica circonda l'origine delle particelle a più alta energia mai osservate. Queste particelle, chiamate raggi cosmici ad ultra-alta energia , provengono dallo spazio e distruggerebbero la Terra se arrivassero con tanta energia. I fisici hanno lottato per credere, e non sono ancora riusciti a trovare spiegazioni utili. Raggi cosmici ad altissima energia possono avere un'energia di 10 ^ 20 eV. Per mettere le cose in un giusto contesto :un singolo protone avrebbe la stessa energia di una palla da baseball che vola a 100 chilometri all'ora. Potrebbe sollevare sapere che queste particelle sono estremamente rare. I fisici li rilevano sulla Terra ad una velocità di meno di una particella per chilometro quadrato per secolo. Fattore che li rende difficili da studiare. Così i fisici vogliono studiare di più di queste particelle per capire da dove vengono e come si potrebbero formare. L'approccio più ovvio è quello di costruire rivelatori più grandi. Il più grande sulla Terra è l'Osservatorio Pierre Auger in Argentina, che si estende su una superficie di 3000 chilometri quadrati, circa le dimensioni di Rhode Island e Lussemburgo. Chiaramente, trovare una più grande area significativa della Terra per un rivelatore più grande non è un compito facile. Così gli scienziati stanno rivolgendo la loro attenzione verso il cielo. La loro idea è quella di sfruttare un effetto fisico esotico o particolare che trasforma tutta la Luna in un rivelatore per raggi cosmici ad ultra-alta energia. Justin Bray all'Università di Southampton e altri hanno delineato il piano. I loro piani sono già redatti e il bilancio 1.500.000.000 € è già a posto. Hanno in programma di iniziare la costruzione delle attrezzature necessarie nel 2018 e di essere in piena attività entro il 2025. Qual è il grosso problema per questi raggi ad ultra-alta energia cosmica? Il più grande mistero è innanzitutto come una singola particella possa avere così alta energia. I fisici pensano che vi siano essenzialmente due possibili meccanismi. Il primo è che le particelle sono accelerate in un campo elettrico o magnetico. Ma nessuno è sicuro che possano esistere tali campi estremi o come potrebbero intrappolare una particella abbastanza a lungo per accelerarla a queste energie. La seconda possibilità è che le particelle ad altissima energia sono creati dal decadimento di una ipotetica particella esotica supermassiccia, forse la materia oscura o forse prodotte da difetti topologici nell'universo primitivo. Un modo per individuare questo meccanismo è quello di scoprire la fonte di queste particelle, trovando la zona del cielo da cui provengono. Più facile a dirsi che non a farsi : i raggi cosmici sono addebitati e pertanto piegati da campi magnetici mentre viaggiano. Quindi la direzione di arrivo non indica necessariamente la fonte. Detto questo, c'è un altro effetto che dovrebbero evitare in quanto i raggi cosmici a più alta energia che non ci giungono affatto. Particelle ad alta energia dovrebbero interagire con la radiazione cosmica di fondo mentre viaggiano attraverso lo spazio e questo dovrebbe causare perdita d’energia. Ciò suggerisce che le particelle a più alto grado di energia sono stati probabilmente creati all'interno della nostra galassia, in quanto non avrebbero potuto viaggiare per distanze intergalattiche e rimanere così energiche. Perchè la Luna debba entrare in tutto questo? Sulla Terra, i fisici rilevano queste particelle ad alta energia quando si fracassano nell'atmosfera superiore innescando una cascata di altre particelle che piovono sulla superficie. Questo è il modo, come l'Osservatorio Pierre Auger lavora per rilevare le particelle figlie create da questo effetto- cascata. Queste cascate generano anche un altro segnale. La rapida accelerazione e decelerazione di particelle cariche, produce onde radio. Così c’è diciamo,un'altra firma dell'impatto di un raggio cosmico ad ultra-alta energia ,cioè una breve raffica di onde radio, noto come l'effetto Askaryan dal fisico sovietico-americano che lo propose nel 1960.E 'questo il segnale che gli astronomi sperano di raccogliere dalla Luna. L'idea è che i raggi cosmici ad altissima energia dovrebbero rompersi sulla superficie lunare generando una cascata di altre particelle e una breve raffica di onde radio nel tempo di un lungo nanosecondo. L’effetto è complicato dal fatto che gli impulsi radio sono proiettati in avanti in un cono e non possono viaggiare lontano attraverso la superficie lunare prima di essere assorbiti. Ciò significa che gli astronomi saranno in grado di vedere gli impulsi radio dai raggi cosmici ad altissima energia che sfiorano il bordo della Luna. Così la strumentazione di cui hanno bisogno per rilevare il segnale sarà un radiotelescopio molto sensibile sulla Terra. Questi segnali sono così brevi e deboli che l'attuale generazione di radiotelescopi non può prenderli. Ma gli astronomi sono in procinto di iniziare a lavorare su un radiotelescopio molto più grande e più sensibile, denominato Square Kilometer Array, da costruire in Sud Africa e in Australia ad un costo di circa € 1,5 miliardi. Questo darà l'accesso a più dati circa i raggi cosmici ad altissima energia di quanto non abbiano mai avuti. Anche se ci sono limitazioni sul rivelatore lunare, è ancora considerevole. Bray e collaboratori stimano che sarà equivalente a una matrice di terreno di 33,0000 chilometri quadrati o circa le dimensioni del Maryland o in Belgio. Cioè 10 volte più grande dell' Osservatorio Pierre Auger. E dicono che l'array dovrebbe rilevare circa 165 volte l’ultra-alta energia dei raggi cosmici nell’arco di un anno, dalla Luna, rispetto al valore 15 attualmente osservato. Questo suggerisce un momento emozionante in anticipo per radioastronomi e per gli astrofisici che cercano di capire l'origine di queste misteriose particelle. Con po 'di fortuna, dovrebbero presto essere in grado di cominciare ad interpretare gli eventi straordinari che creano qualche modo le particelle più energetiche mai osservate.

arxiv.org/abs/1408.606 9: Rilevamento sulla Luna di raggi cosmici ad Ultra-High-Energy e di neutrini.

osservatorio Pierre Auger