Galactic Microquasar and Supernova Remnants Imprinting on Diffuse Neutrino and Gamma-Ray Sky

Nel cuore profondo della nostra Via Lattea, una pioggia costante e invisibile di particelle cade dalle stelle. Si tratta di raggi cosmici, protoni e nuclei atomici ad alta velocità che viaggiano attraverso la galassia quasi alla velocità della luce. Da decenni, gli scienziati sanno che queste particelle nascono da eventi cosmici violenti, come le esplosioni di stelle massicce, ma l'esatta miscela di sorgenti e il modo in cui viaggiano fino a noi sono rimasti un enigma. Quando questi raggi cosmici si scontrano con il sottile gas che riempie lo spazio tra le stelle, creano una pioggia secondaria di particelle, inclusi i fantasmatici neutrini e i raggi gamma ad alta energia. Rilevare questi segnali secondari è come vedere lo schizzo di un sasso gettato in uno stagno buio; ci dice che il sasso era lì, anche se non possiamo vedere chi lo ha lanciato. Comprendere l'origine di questo bagliore diffuso è fondamentale perché costituisce il rumore di fondo contro il quale gli astronomi devono cercare sorgenti specifiche e potenti. Se non riusciamo a mappare accuratamente questo sfondo, non potremo distinguere i deboli sussurri di nuovi acceleratori cosmici dal ruggito della galassia stessa.

Un team di ricercatori ha costruito un nuovo, dettagliato mappa di questo sfondo cosmico, rivelando che la storia del cielo ad alta energia della galassia è raccontata da due distinti gruppi di motori cosmici che lavorano in tandem. In uno studio pubblicato nell'agosto 2026, Shiqi Yu e Bing Theodore Zhang hanno sviluppato un modello computazionale che traccia come i raggi cosmici provenienti da due diversi tipi di sorgenti — resti di supernova e microquasar — si diffondano attraverso la galassia e interagiscano con il gas interstellare. I resti di supernova sono le gusci in espansione di detriti lasciati quando le stelle massicce esplodono, mentre i microquasar sono sistemi in cui un buco nero o una stella di neutroni attira materia da una stella compagna, scagliando potenti getti di particelle. I ricercatori hanno scoperto che queste due popolazioni non contribuiscono equamente a tutte le energie. Al contrario, dominano diverse parti dello spettro energetico, creando una transizione fluida che spiega le recenti osservazioni dell'Osservatorio di Neutrini IceCube e del telescopio a raggi gamma LHAASO.

L'approccio del team è stato quello di trattare queste due popolazioni di sorgenti come attori indipendenti, ciascuno con le proprie regole su quanto velocemente accelera le particelle e quanto lontano tali particelle possono viaggiare. Hanno simulato il movimento dei raggi cosmici per milioni di anni, ancorando i loro calcoli a misurazioni precise dei raggi cosmici rilevati vicino alla Terra dagli strumenti DAMPE e LHASAO. Alimentando queste misurazioni locali in un modello tridimensionale della distribuzione del gas galattico, sono stati in grado di prevedere quanti neutrini e raggi gamma dovrebbero essere prodotti in ogni direzione. I risultati hanno mostrato una chiara divisione del lavoro. Alle energie inferiori, sotto i 10 trilioni di elettronvolt, il bagliore diffuso è quasi interamente opera dei resti di supernova. Queste antiche esplosioni stellari hanno seminato la galassia di raggi cosmici per eoni, creando uno sfondo costante e diffuso. Tuttavia, man mano che l'energia sale sopra questa soglia, il contributo dei resti di supernova svanisce e un nuovo protagonista prende il comando: i microquasar.

Questo cambiamento è significativo perché risolve un problema di lunga data riguardante il modo in cui la galassia accelera le particelle alle energie più elevate conosciute. Sebbene i resti di supernova siano eccellenti nell'accelerare le particelle, potrebbero faticare a spingerle oltre un certo limite. I microquasar, con i loro intensi campi magnetici e i getti relativistici, sembrano capaci di agire come "Pevatroni", accelerando le particelle a energie mille volte superiori a quelle prodotte dal Large Hadron Collider. Il modello suggerisce che l'indurimento dello spettro dei raggi cosmici alle alte energie non sia un mistero, ma una conseguenza naturale del fatto che i microquasar prendono il sopravvento. Quando i ricercatori hanno confrontato le loro previsioni con i dati reali raccolti da IceCube in dodici anni, l'accordo è stato sorprendentemente stretto. Il loro modello ha riprodotto con successo il flusso osservato di neutrini, fornendo una base fisicamente motivata che tiene conto dei contributi di entrambi i tipi di sorgente senza dover inventare nuova fisica.

Lo stesso ragionamento si è applicato ai raggi gamma, i cugini ad alta energia della luce visibile. I ricercatori hanno scoperto che il loro modello, che includeva gli effetti dei microquasar, si allineava bene con le osservazioni di LHAASO, in particolare alle energie superiori a 100 trilioni di elettronvolt. A queste energie estreme, il cielo a raggi gamma è dominato dalle interazioni oadroniche dei protoni provenienti dai microquasar, creando un segnale pulito che è meno contaminato da altri processi. Al di sotto di questa soglia, i dati hanno mostrato un leggero eccesso che il modello non ha catturato completamente, probabilmente dovuto agli elettroni che diffondono la luce o a sorgenti deboli e non risolte che sono troppo fioche per essere viste individualmente. Questa lacuna residua evidenzia dove le osservazioni future potranno affinare il quadro, ma la scoperta principale rimane robusta: il cielo diffuso ad alta energia è un composito di due popolazioni distinte.

Lo studio ha anche rivelato come la struttura della galassia modelli ciò che vediamo. Poiché i neutrini vengono prodotti solo quando i raggi cosmici collidono con sacche dense di gas, la mappa risultante dell'emissione di neutrini non è un bagliore liscio e uniforme. Al contrario, essa ricalca la struttura filamentosa e irregolare del mezzo interstellare, creando "punti caldi" localizzati dove il gas è più denso. Questi punti non indicano necessariamente la posizione di un acceleratore attivo; piuttosto, mostrano dove il mare costante di raggi cosmici, fluendo da tutte le direzioni, colpisce la materia più densa. Questa distinzione è vitale per gli astronomi che cercano nuove sorgenti puntiformi, poiché aiuta a separare il vero segnale di un oggetto specifico dal complesso e strutturato sfondo della galassia.

Decoulando i contributi dei resti di supernova e dei microquasar, i ricercatori hanno fornito un quadro flessibile che può essere testato e aggiornato con l'arrivo di nuovi dati. Il loro lavoro suggerisce che lo sfondo diffuso non sia un'entità singola e monolitica, ma un arazzo stratificato tessuto da diversi fili cosmici. Questa comprensione offre una solida base per la prossima generazione di osservatori multi-messaggero, che useranno neutrini e raggi gamma per scrutare più profondamente nella galassia. Con un'immagine più chiara dello sfondo, questi strumenti saranno meglio equipaggiati per identificare gli acceleratori più potenti dell'universo, trasformando il tenue e diffuso bagliore della Via Lattea in una mappa precisa dei suoi processi più violenti ed energetici.