1LHAASO J1852+0050u: GeV-100TeV Gamma-ray emission Powered by Star-forming Region?

Molto in alto sopra la Terra, nell'aria rarefatta dell'altopiano del Tibet, una massiccia serie di sensori attende qualcosa di straordinario. Questi sensori fanno parte del Large High Altitude Air Shower Observatory, noto come LHAASO, e sono progettati per catturare le firme deboli e fugaci delle particelle più energetiche dell'universo. Queste particelle, chiamate raggi cosmici, sono nuclei atomici che viaggiano attraverso lo spazio quasi alla velocità della luce. Per quasi un secolo, gli scienziati si sono chiesti da dove derivi la loro incredibile velocità. Mentre alcuni sono noti per provenire dalle violente esplosioni di stelle morenti, i più potenti, che raggiungono energie un milione di volte superiori a quelle che i nostri acceleratori di particelle più potenti possono creare, sono rimasti un mistero. Trovare la fonte di questi "PeVatron" — oggetti capaci di accelerare le particelle a energie così estreme — è una delle grandi sfide dell'astronomia moderna, poiché rivelerebbe finalmente i motori che alimentano l'universo ad alta energia.

In uno studio recente, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a una specifica porzione di cielo nella costellazione dell'Aquila, dove era stata individuata una misteriosa sorgente di raggi gamma ad alta energia. Questa sorgente, catalogata come 1LHAS0 J1852+0050u, è un vasto e diffuso bagliore di radiazione che era stato rilevato a energie superiori ai cento trilioni di elettronvolt. Il rompicapo consisteva nell'identificare cosa stesse creando questo bagliore. La regione è affollata di oggetti astronomici noti, inclusi i resti di due stelle esplose e una stella di neutroni che ruota rapidamente, nota come pulsar. Il team, guidato da ricercatori della collaborazione LHAASO, si è posto l'obiettivo di determinare se uno di questi oggetti familiari fosse il colpevole, o se fosse all'opera qualcosa di più esotico.

Per risolvere il mistero, gli scienziati hanno combinato i dati di più telescopi. Hanno riesaminato quattro anni di osservazioni di LHAASO, che ha fornito una mappa dettagliata dei raggi gamma ad alta energia, e hanno accoppiato questi dati con sedici anni di dati del satellite Fermi-LAT, che osserva raggi gamma a energia inferiore. Hanno anche esaminato il gas molecolare invisibile nella regione utilizzando radiotelescopi, che possono rivelare la presenza di dense nubi di gas e polvere dove nascono le stelle. Unendo queste diverse vedute, i ricercatori sono stati in grado di separare il debole segnale della sorgente principale dal bagliore dei suoi vicini. Hanno scoperto che il bagliore di raggi gamma non è un singolo punto, ma una regione estesa che si sovrappone a una vivace nursery di nuove stelle.

Il primo sospettato che il team ha considerato è stato una pulsar di mezza età, una stella densa e rotante che ha ruotato per circa duecento mila anni. Le pulsar sono note per creare nubi di particelle ad alta energia che possono emettere raggi gamma. Tuttavia, quando i ricercatori hanno eseguito delle simulazioni per vedere se questa specifica pulsar potesse generare la quantità di energia osservata, i numeri non tornavano. La pulsar semplicemente non aveva abbastanza potenza per spiegare il luminoso bagliore ad alta energia visto da LHAASO. Il team ha esaminato anche i vicini resti di stelle esplose, ma le distanze e i tipi specifici di gas nella regione hanno escluso che fossero la fonte primaria. Le prove puntavano lontano da queste origini violente ed esplosive.

Inveve, i dati indicavano un processo più continuo, ma altrettanto violento: la nascita di stelle massicce. La sorgente di raggi gamma si trova direttamente sopra una densa nube di gas molecolare, che è la materia prima per la formazione stellare. All'interno di questa nube si trova una regione specifica nota come G34.26+0.15, un sito dove stanno nascendo attualmente stelle massicce. I ricercatori hanno scoperto che i raggi gamma a energia inferiore rilevati dal satellite Fermi corrispondono alla posizione di stelle giovani in formazione, mentre i raggi gamma ad altissima energia rilevati da LHAASO si allineano con la presenza di stelle massicce e completamente formate nello stesso ammasso.

Gli scienziati propongono una spiegazione in due parti per la radiazione. Suggeriscono che i raggi gamma a energia inferiore siano prodotti da protoni accelerati dai potenti getti e flussi provenienti da stelle giovani in formazione. Queste giovani stelle stanno ancora accumulando massa e la loro attività energetica agita il gas circostante, accelerando le particelle a velocità elevate. I raggi gamma ad altissima energia, che raggiungono i cento trilioni di elettronvolt, sono probabilmente prodotti da venti ancora più potenti dalle stelle massicce adulte nello stesso ammasso. Queste stelle massicce soffiano materiale nello spazio a velocità tremende, creando onde d'urto che possono accelerare le particelle alle energie estreme necessarie per produrre la radiazione osservata.

Lo studio conclude che questa regione di formazione stellare è probabilmente un "PeVatron", un acceleratore di particelle naturale capace di potenziare i raggi cosmici a energie precedentemente ritenute dominio solo delle esplosioni più violente. I ricercatori stimano che l'ammasso contenga tra venti e duecento stelle massicce, i cui venti combinati forniscono l'energia necessaria per sostenere questa emissione ad alta energia. Sebbene non possano escludere completamente la presenza di altre pulsar nascoste o invisibili nella regione, le prove favoriscono fortemente la regione di formazione stellare come motore dominante. Questa scoperta aggiunge un nuovo capitolo alla nostra comprensione dei raggi cosmici, suggerendo che le nursery caotiche ed energetiche dove nascono le stelle sono altrettanto capaci di creare le particelle più energetiche dell'universo quanto le morti catastrofiche delle stelle.