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Raggi cosmici: quanto sono energetici?

Raggi cosmici

Pochi sanno che la Terra è costantemente sotto l'assalto di particelle invisibili ad alta energia. Queste particelle sono raggi cosmici e stanno bombardando la Terra da tutte le direzioni. I raggi cosmici sono stati scoperti per la prima volta più di cento anni fa e ancora non sappiamo da dove provengano queste particelle ad alta energia. 

Cosa sono i raggi cosmici?

Cosa sono i raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle ad alta energia provenienti dall'esterno del nostro sistema solare. Viaggiano quasi alla velocità della luce. Si muovono così velocemente che alcuni sfruttano milioni di volte più energia dei nostri più potenti acceleratori di particelle, rendendo alcuni raggi cosmici le particelle più energetiche mai osservate in natura.

All'interno dei raggi cosmici troviamo particelle subatomiche come elettroni, neutroni e neutrini, ma la maggior parte dei raggi cosmici sono nuclei atomici privati ​​dei loro atomi. I raggi cosmici sono una delle poche fonti di materia al di fuori del nostro sistema solare a cui abbiamo accesso. 

Da dove vengono i raggi cosmici?

Da dove vengono i raggi cosmici

Sappiamo solo da dove provengono i raggi cosmici a più bassa energia, non conosciamo ancora l'origine dei raggi cosmici ad alta energia. Tutto ciò che sappiamo è che qualcosa di molto potente sta lanciando queste particelle incredibilmente energetiche nell'Universo. I Raggi Cosmici hanno una gamma di energie (109 - 1020 eV), e questo può darci indicazioni sulla loro provenienza.

I raggi cosmici a più bassa energia provengono dal nostro Sole nei venti solari. Il Sole espelle costantemente particelle cariche nel nostro sistema solare. Raggi cosmici di energia medio-bassa (1018 eV) potrebbe provenire dall'interno della nostra Via Lattea. Potrebbero provenire direttamente o indirettamente dalla morte di alcune stelle in un'esplosione di supernova.

Queste esplosioni sono massicce e generano campi magnetici in rapido movimento che riflettono particelle cariche. Quando le particelle cariche dei raggi cosmici interagiscono con un tale campo magnetico, acquistano energia. Ogni volta che il raggio cosmico interagisce con un campo magnetico acquisterà energia. Ciò potrebbe far rimbalzare i raggi cosmici attraverso l'Universo come una pallina cosmica. Sebbene alcuni raggi cosmici abbiano energie più elevate di quelle che potrebbero mai essere raggiunte con questo tipo di interazione. 

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Si sospetta che i raggi cosmici di più alta energia provengano da più lontano nell'Universo. Nel luglio del 2022, gli astrofisici hanno annunciato di aver trovato un indizio importante sull'origine dei raggi cosmici. Credono che i raggi cosmici di più alta energia possano provenire dai blazar. I blazar sono galassie che ospitano al loro centro un potente buco nero super massiccio.

Così potente che ha getti energetici che escono oltre la loro galassia ospite. Se questi getti sono diretti verso la Terra, potrebbero sparare raggi cosmici altamente energetici direttamente su di noi. Poiché questi raggi cosmici ad alta energia attraversano l'Universo, non sono molto influenzati dai campi magnetici più deboli nello spazio tra le galassie.

Questo dovrebbe darci la possibilità di tracciare il loro percorso a ritroso e trovare la loro fonte. Tuttavia, nessuno degli eventi di raggio cosmico con energie superiori a 1020 eV rimandano a una fonte valida. Allora da dove vengono? 

Questo mistero diventa ancora più strano quando gli scienziati analizzano che, a meno che la fonte dei raggi cosmici non sia relativamente vicina alla Via Lattea (entro 100 milioni di anni luce), le collisioni tra raggi cosmici e microonde che sono ovunque nel nostro Universo, avrebbero ridotto i raggi cosmici ' energie inferiori a 1020 eV prima che colpiscano la terra, cosa che non sono. Ma i percorsi dei raggi cosmici non puntano indietro e non conoscono oggetti che potrebbero produrre particelle ad alta energia. 

Ricerca sui raggi cosmici

Ricerca sui raggi cosmici

Lo studio dei raggi cosmici è davvero spettacolare. Gli scienziati hanno preso mongolfiere e scalato montagne nella speranza di comprendere queste particelle misteriose. I raggi cosmici furono scoperti per la prima volta dal fisico australiano Victor Hess nel 1912. Guidò una mongolfiera a 5300 metri sopra il livello del mare e misurò il tasso di ionizzazione nell'atmosfera.

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Ha scoperto che questo tasso è tre volte quello che è al livello del mare. Ha concluso che la radiazione deve provenire dallo spazio. Da allora, gli scienziati hanno studiato i raggi cosmici per oltre un secolo e con ogni decennio che passa scoprono raggi cosmici sempre più rari e ad alta energia. Nel 1927 furono scattate in camera ad alta voce le prime fotografie dei percorsi dei raggi cosmici. Nel 1938, Pierre Auger scoprì estesi sciami d'aria di raggi cosmici che portarono ai primi esperimenti di sciami d'aria che ebbero luogo nel 1946. 

Nel 1991, i raggi cosmici con la più alta energia mai rilevati sono stati osservati dal rilevatore di raggi cosmici Fly's Eye nello Utah, USA. I ricercatori dello Utah hanno misurato l'insolita energia di 3.2×1020 ev. Questo era sei volte superiore a quanto previsto dalla loro teoria perché presumevano che queste particelle dovessero perdere rapidamente la loro energia durante i loro viaggi. La più grande missione scientifica per la ricerca e la comprensione dei raggi cosmici fino ad oggi è l'Osservatorio Pierre Auger lanciato ufficialmente nel 2003 e il suo primo risultato nel 2005.  

Per studiare i raggi cosmici, gli scienziati misurano la loro traiettoria di ingresso dallo spazio e le loro energie. Possiamo usare rilevatori su palloni meteorologici e satelliti sopra l'atmosfera terrestre per rilevare i raggi cosmici di energia moderata. Tuttavia, per i raggi cosmici di maggiore energia è utile utilizzare l'atmosfera per disperdere i raggi cosmici e osservare la pioggia che segue. 

Composizione Elementare

Composizione Elementare

Gli scienziati studiano anche la composizione dei raggi cosmici per comprendere quale potrebbe essere la loro fonte. Studiano quale frazione dei raggi cosmici sono elettroni, protoni, un nucleo di elio o altri nuclei di elementi che formano la tavola periodica.

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Tutti gli elementi naturali della tavola periodica si trovano nei raggi cosmici. Gli elementi più leggeri del ferro sono prodotti dalle stelle. Gli elementi più pesanti sono prodotti da esplosioni violente come una supernova alla fine della vita di una stella massiccia. Studiare l'abbondanza di elementi nei raggi cosmici può darci informazioni sulle loro fonti e sul loro viaggio attraverso lo spazio.

Circa il 90% dei raggi cosmici sono protoni (idrogeno) e circa il 9% sono particelle alfa (elio). Il restante 1% è costituito da altri elementi. Determinare quanto di questo 1% è costituito da elementi e isotopi rari può aiutarci a determinare da dove hanno avuto origine i raggi cosmici. 

I raggi cosmici possono darci informazioni sull'evoluzione chimica dell'Universo. C'è una grande differenza tra la composizione elementare misurata dei raggi cosmici e la nostra migliore comprensione della composizione del sistema solare. Scopriamo che c'è meno idrogeno ed elio nei raggi cosmici rispetto a quello che vediamo nel nostro sistema solare.

Gli scienziati pensano che ciò sia dovuto al fatto che l'idrogeno e l'elio sono molto leggeri, quindi è difficile accelerarli alla velocità che vediamo con i raggi cosmici. Vediamo anche berillio, boro e litio che sono comuni nei raggi cosmici ma rari nel nostro sistema solare. Questo vale anche per elementi più pesanti tra silicio e ferro.

Si ritiene che la ragione di ciò sia che il litio, il boro e il berillio che vediamo sono frammenti di elementi di raggi cosmici più pesanti come l'ossigeno e il carbonio. Allo stesso modo, gli elementi più pesanti tra silicio e ferro trovati nei raggi cosmici potrebbero essere stati integrati da frammenti di elementi. Questi sono indicati come raggi cosmici secondari. 

Gli scienziati possono utilizzare il numero di raggi cosmici secondari e la probabilità di collisioni (simulata sulla Terra negli acceleratori di particelle) per calcolare quanta materia hanno attraversato i raggi cosmici. Presumibilmente viaggiare attraverso più materia spezzerebbe i raggi cosmici primari e produrrebbe più raggi cosmici secondari.

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Se assumiamo che i raggi cosmici siano rimasti all'interno della galassia, possiamo prendere la quantità di materia che hanno attraversato e dividerla per la densità media dello spazio interstellare per ottenere una previsione dell'età dei raggi cosmici. Questo metodo porta al risultato di un'età media dei raggi cosmici di circa due milioni di anni; tuttavia, ciò non è corretto.

L'ipotesi di una densità interstellare media presuppone che i raggi cosmici rimangano in regioni di densità di un atomo per centimetro cubo, ma i raggi cosmici trascorrono gran parte del loro tempo in regioni di densità inferiore. 

Un modo più accurato per calcolare l'età dei raggi cosmici è utilizzare gli isotopi radioattivi, un metodo simile utilizzato dagli archeologi per datare i manufatti. Ci sono molti isotopi nei raggi cosmici che sono quasi sempre raggi cosmici secondari. Una volta creati, iniziano a decadere, la frazione che rimane quando raggiungono la Terra può darci l'età dei raggi cosmici. Usando questo metodo gli scienziati scoprono che l'età media dei raggi cosmici è più vicina ai dieci milioni di anni. 

Anche se gli scienziati studiano i raggi cosmici da oltre un secolo, sono ancora un grande mistero. Tuttavia, ogni giorno gli scienziati scoprono cose nuove sui raggi cosmici. Comprendere i raggi cosmici ci aiuterà a comprendere la composizione del nostro Universo e l'origine di queste potenti particelle.

Provengono da una centrale elettrica invisibile? Resti del Big Bang? O vengono accelerati da una forza sconosciuta? Ci sono ancora molte domande a cui rispondere per svelare il mistero dei raggi cosmici. 

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Cassie Hatcher

Cassie Hatcher

Cassie apprende da sempre con la passione di comunicare la scienza di alto livello in una questione di conversazione. Ha conseguito una laurea e un master in fisica e ha scritto due tesi di astronomia, una delle quali è stata pubblicata. Ha conseguito uno stage presso il Goddard Space Flight Center della NASA nel 2016 e ha avuto la possibilità di vedere il James Webb Space Telescope mentre veniva costruito.

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