I raggi cosmici galattici

Dopo aver dato un’occhiata generale alle varie componenti dei raggi cosmici in orbita terrestre, andiamo a guardare con un po’ più di dettaglio queste componenti. Iniziamo dai raggi cosmici galattici.

Come già detto, i GRC (Galactic Cosmic Rays) sono di origine galattica e sono accelerate in esplosioni di supernovae. Alle energie più alte hanno invece origine extragalattica e i loro meccanismi di accelerazione non sono stati ancora chiariti.

Abbiamo già detto che le energie dei raggi cosmici vanno da qualche decina di MeV fino a 10¹² MeV. Ovviamente il flusso varia di conseguenza, come si vede nella figura seguente.

 

E’ interessante notare che se per energie inferiori a 10¹⁰ eV (cioè 10⁴ MeV oppure 10 GeV) abbiamo 1 particella al secondo per metro quadro, per energie intorno a 10¹⁵ eV (intorno alla zone del ginocchio) abbiamo un flusso di una particella all’anno per metro quadro, mentre ad energie ancora più alte si misura una particella all’anno per chilometro quadrato…

Bisogna notare che quando si trovano grafici del genere si parla generalmente di raggi cosmici, ma in realtà si parla solamente di protoni. Nuclei più pesanti hanno flussi progressivamente minori (a parte l’alternanza pari dispari di cui parlerò più avanti).

Nella figura seguente vediamo il flusso dei protoni, delle particelle alfa (nuclei di elio), degli elettroni, dei nuclei di Carbonio e di quelli di Ferro.

Per far capire di che energie stiamo parlando e di quali effetti possano avere le particelle di alta energia voglio parlarvi (senza entrare nei dettagli) un fenomeno molto interessante: gli sciami estesi (Extensive Air Shower). Una particella energetica che entra nell’atmosfera incontra un crescente numero di atomi e molecole, in particolare azoto e ossigeno. Prima o poi il raggio cosmico colliderà con uno di loro. Questa interazione può portare alla creazione di particelle secondarie convertendo la sua energia cinetica in massa secondo la relazione

E = mc²

Una particella con energia di 10 EeV (pari a 10¹⁹ eV) che entra nell’atmosfera genera 100 miliardi di particelle a livello del mare distribuite su un area di qualche chilometro quadrato come illustrato dalla seguente simulazione

Questi raggi cosmici ultraenergetici vengono studiati da stazioni di rivelazione terrestri come ad esempio l’osservatorio Auger in Argentina. Si tratta di un insieme di rivelatori che misurano sia la fluorescenza nell’atmosfera dovuta allo sciame, sia le particelle che arrivano a terra. I telescopi a fluorescenza possono misurare la luce ultravioletta generata dallo sciame e sono talmente sensibili che possono rivelare uno sciame a 15 km di distanza. I rivelatori di terra sono invece 1600 serbatoi d’acqua contenenti ognuno 12000 litri e separati di 1.5 km uno dall’altro. Rivelano la luce Cherenkov prodotta dalle particelle che nell’acqua viaggiano più veloce della luce (la luce Cherenkov è l’analogo del boom sonico, solo che è fatto con la luce).

Il tutto è distribuito su un area di 10 miglia quadrate…

Queste particelle ultraenergetiche sono di origine extragalattica e nel 2007 i fisici della Collaborazione Pierre Auger hanno annunciato che i nuclei galattici attivi (AGN) sono molto probabilmente le sorgenti di questi raggi cosmici.

Sono andato un po’ fuori tema, ma questa cosa dei raggi cosmici di ultra alta energia mi è sempre sembrata interessante.

Nei prossimi post ritornerò ad energie più comuni e più interessanti per ALTEA e la Stazione Spaziale.

Per approfondire:

http://www.auger.org/news/PRagn/auger_agn_italy.html