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A 815 anni luce da noi, intorno alla pulsar Geminga, c’è un debole e diffuso alone di raggi gamma che potrebbe risolvere un enigma lungo più di 10 anni. È quanto emerge da un nuovo studio che si basa sui dati registrati dal telescopio satellitare per raggi gamma Fermi, pubblicato lo scorso 17 dicembre su Physical Review D, e frutto di una collaborazione tra ricercatori del Goddard Space Flight Center della NASA, dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e dell’Università di Torino.
L’enigma riguarda un tipo di particelle sorprendentemente abbondanti vicino alla Terra: i positroni, cioè gli antielettroni. Questo eccesso di positroni è stato osservato negli ultimi 10 anni da vari esperimenti nello spazio, quali Pamela, lo stesso Fermi e AMS-02 che si trova a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Sulla sua origine sono state fatte numerose ipotesi, dall’emissione da parte di pulsar all’annichilazione o decadimento di particelle di materia oscura galattica.
“Dai risultati del nuovo studio emerge che Geminga da sola potrebbe giustificare fino al 20% dei positroni osservati”, racconta Mattia Di Mauro, ricercatore del NASA’s Goddard Space Flight Center e della Catholic University of America, autore dello studio insieme alle ricercatrici dell’INFN e dell’Università di Torino Silvia Manconi e Fiorenza Donato, e aggiunge: “Se si considerano tutte le pulsar della nostra galassia, queste sorgenti sembrano essere le principali responsabili dell’eccesso di positroni osservato intorno alla Terra a energie superiori alle decine di GeV”.
Le pulsar sono stelle di neutroni che ruotano molto velocemente emettendo radiazione elettromagnetica in onde radio, luce visibile, raggi X e gamma. Sono un po’ come un faro: la loro luce entra ed esce regolarmente dal nostro campo visivo. Geminga è una pulsar tra le più brillanti alle energie dei raggi gamma ed è stata scoperta nel 1972 dal satellite della NASA Small Astronomy Satellite. È caratterizzata da un intensissimo campo magnetico e può produrre numerose coppie di elettroni e positroni a velocità prossime a quelle della luce. Quando queste particelle interagiscono con i fotoni che circondano la stella, cedono loro un po’ di energia e si generano i raggi gamma, come quelli che formano l’alone diffuso intorno a Geminga.
“In questo studio, abbiamo analizzato i dati provenienti da 10 anni di osservazione del telescopio LAT di Fermi sopra gli 8 GeV, confrontandoli con il nostro modello di produzione di raggi gamma da urti di elettroni e positroni con i fotoni. Questo ci ha permesso non solo di scoprire un alone esteso di raggi gamma intorno a Geminga, ma anche di determinarne le caratteristiche fisiche”, spiega Silvia Manconi, ricercatrice dell’INFN e dell’Università di Torino che ora lavora alla RWTH Aachen University.
“La rivelazione di questo alone di raggi gamma intorno a Geminga nei dati di Fermi è in accordo con un'osservazione del 2017 dell’High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC), osservatorio che si trova vicino Puebla in Messico, e ci ha permesso di stimare il flusso di positroni da una singola pulsar con una precisone mai raggiunta precedentemente”, aggiunge Fiorenza Donato, ricercatrice INFN e professoressa all’Università di Torino. “Le osservazioni dall'esperimento Fermi hanno permesso inoltre di confermare per la prima volta che, a conseguenza del moto proprio della pulsar, il bagliore di raggi gamma attorno a Geminga non è simmetrico attorno alla stella.”
Fermi è un osservatorio spaziale NASA per raggi gamma in orbita dal 2008 costruito e operato da un’ampia collaborazione internazionale, cui l’Italia partecipa con l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), l’INFN e l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF). È composto da due strumenti principali: il Glast Burst Monitor (GBM) e il Large Area Telescope (LAT). Il GBM osserva raggi gamma meno energetici (tra i 6 keV e i 40 MeV) provenienti dall’intero cielo. Il LAT registra, invece, raggi gamma con energie tra 20 MeV e 300 GeV (anche miliardi di volte più energetici della luce visibile), è stato realizzato grazie a un importante contributo italiano di INFN, ASI e INAF e, ad oggi, ha osservato più di 5000 sorgenti individuali di raggi gamma.