Correlation of galactic very-high-energy gamma-ray sources detected by LHAASO with high-energy neutrinos
Questo studio non trova prove convincenti di una correlazione spaziale tra le sorgenti di raggi gamma ad altissima energia rilevate da LHAASO e gli avvisi di neutrini ad alta energia di IceCube, suggerendo che le attuali sorgenti LHAASO non siano probabilmente le controparti primarie di questi neutrini e sottolineando la necessità di futuri strumenti più sensibili come IceCube-Gen2.
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Nel profondo del ghiaccio congelato del continente antartico giace un enorme rivelatore progettato per catturare i messaggeri più elusivi dell'universo: i neutrini ad alta energia. Questi sono particelle fantasma, quasi prive di massa e elettricamente neutre, capaci di viaggiare attraverso il cosmo senza essere fermate da stelle, gas o polvere. Per decenni, gli scienziati hanno dato la caccia alle loro origini, sperando che rivelassero le posizioni dei motori più violenti ed energetici della nostra galassia. Allo stesso tempo, un diverso tipo di osservatorio in Cina, situato su un alto altopiano montuoso, scansiona il cielo alla ricerca di raggi gamma ad altissima energia. Questi sono le forme di luce più energetiche, spesso prodotte quando i raggi cosmici — nuclei atomici che si muovono a velocità elevatissime — vengono accelerati a velocità incredibili. Un mistero di lunga data nell'astrofisica chiede se questi raggi gamma siano creati dagli elettroni o dai protoni. Se provengono dai protoni, le stesse collisioni dovrebbero produrre anche neutrini. Trovare una sorgente di raggi gamma e un neutrino provenienti esattamente dallo stesso punto nel cielo sarebbe la prova schiacciante, dimostrando che l'universo sta accelerando i protoni a energie molto superiori a quelle di qualsiasi macchina costruita dall'uomo.
Un team di ricercatori si è recentemente messo alla prova per testare questa connessione utilizzando i dati di due grandi osservatori: il Large High Altitude Air Shower Observatory, noto come LHAASO, e l'Osservatorio Neutrini IceCube. LHAASO ha mappato il cielo e ha identificato novanta sorgenti distinte di raggi gamma ad altissima energia, alcune delle quali raggiungono energie un milione di volte superiori a quelle utilizzate dai raggi X medici. IceCube, nel frattempo, ha registrato centinaia di eventi di neutrini ad alta energia che sono stati segnalati come potenziali segnali provenienti dallo spazio profondo. Gli scienziati si sono posti una domanda semplice ma profonda: le sorgenti di raggi gamma e gli eventi di neutrini si sovrappongono nel cielo? Se i raggi gamma sono effettivamente il sottoprodotto delle collisioni tra protoni, i neutrini dovrebbero provenire dagli stessi luoghi.
Per rispondere a questo, i ricercatori hanno confrontato le posizioni delle novanta sorgenti di raggi gamma trovate da LHAASO con le posizioni di 348 eventi di neutrini registrati da IceCube. Si sono concentrati specificamente sui neutrini più energetici, quelli con energie superiori a 100 TeV, perché sono quelli più probabilmente legati ai potenti acceleratori individuati da LHAASO. Il team ha cercato qualsiasi istanza in cui la posizione incerta di un evento di neutrino toccasse l'area di una sorgente di raggi gamma. Hanno trovato diverse tali sovrapposizioni. In nove casi, un evento di neutrino sembrava condividere una posizione con una sorgente di raggi gamma utilizzando una definizione rigorosa di incertezza di posizione, e in dieci casi quando la definizione era stata leggermente rilassata.
Tuttavia, trovare due cose nello stesso posto non significa sempre che siano correlate. Il cielo è affollato di sorgenti e i neutrini possono arrivare da ovunque. Per determinare se queste sovrapposizioni fossero significative o solo un incidente casuale, il team ha eseguito una massiccia simulazione al computer. Hanno rimescolato le posizioni dei neutrini nel cielo migliaia di volte, mantenendo fisse le sorgenti di raggi gamma, per vedere quanto spesso un neutrino casuale sarebbe atterrato vicino a una sorgente per puro caso. I risultati di questa simulazione hanno mostrato che le sovrapposzioni trovate non erano rare. Infatti, la probabilità statistica di osservare questo numero di sovrapposizioni per caso era piuttosto alta. Ciò significa che i dati non supportano l'idea che le sorgenti di raggi gamma e i neutrini siano fisicamente connessi. La coincidenza spaziale appare accidentale piuttosto che segno di un'origine comune.
I ricercatori hanno portato l'indagine un passo avanti ponendosi una domanda teorica: anche se le posizioni coincidessero, queste sorgenti potrebbero effettivamente produrre abbastanza neutrini da spiegare ciò che IceCube rileva? Hanno assunto lo scenario più favorevole possibile: che ogni singolo raggio gamma rilevato da LHAASO fosse creato da protoni che collidono con il gas, un processo che inevitabilmente produce neutrini. Sotto questa ipotesi, hanno calcolato il numero massimo possibile di neutrini che queste sorgenti potrebbero inviarci. Quando hanno confrontato questo massimo teorico con il numero effettivo di neutrini rilevati da IceCube, i risultati sono stati deludenti. Per la stragrande maggioranza delle sorgenti, l'output teorico di neutrini era di gran lunga troppo basso per giustificare gli eventi di neutrini osservati. Anche nel caso più ottimistico, in cui ogni raggio gamma è un segno di attività protonica, le sorgenti semplicemente non hanno la potenza per produrre i neutrini che IceCube sta catturando.
Questo studio non esclude la possibilità che alcune di queste sorgenti siano effettivamente acceleratori di particelle cosmiche, ma suggerisce che non siano quelle responsabili dei specifici eventi di neutrini rilevati finora. La mancanza di un forte legame implica che o i raggi gamma siano prodotti dagli elettroni piuttosto che dai protoni, o che i neutrini provengano da sorgenti diverse, ancora da scoprire. Le scoperte evidenziano una lacuna nella nostra attuale comprensione e indicano la necessità di strumenti più sensibili. I ricercatori concludono che, per risolvere veramente il mistero dei raggi cosmici galattici, avremo bisogno di rilevatori con una sensibilità molto maggiore, come il futuro IceCube-Gen2, che sarà in grado di vedere segnali più deboli e localizzare le sorgenti con molta più precisione. Fino ad allora, la connessione tra questi fari di raggi gamma ad alta energia e i fantasmi dei neutrini rimane una questione aperta, in attesa di prove più chiare dalla prossima generazione di osservatori cosmici.
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