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Il telescopio Gemini North sul Maunakea aiuta a scoprire le prove più forti finora che galassie lontane che si formano stelle contribuiscano alla produzione di una delle particelle fantasma più misteriose dell’Universo.
Un team di astronomi ha identificato una galassia formatrice stellare sorprendentemente luminosa, con lente gravitazionale, come probabile fonte dell’evento di neutrini ad alta energia IC 210922A, rilevato dall’IceCube Neutrino Observatory nel 2021.
La galassia, soprannominata “Shadow Blaster”, si trova a circa 11 miliardi di anni luce di distanza, fornendo la prova osservativa più concreta finora che le popolazioni di galassie lontane che si formano stelle svolgono un ruolo significativo nella produzione di neutrini cosmici ad alta energia.
I neutrini sono una delle particelle fondamentali dell’Universo. Vivono un’esistenza spettrale senza carica elettrica, con pochissima massa e con pochissime interazioni con la materia.
Sono anche le particelle di massa più abbondanti nell’Universo e possono essere create attraverso una varietà di processi, come il decadimento di particelle pesanti, le reazioni nucleari nel Sole e le esplosioni delle stelle.
Gli strumenti terrestri hanno rilevato neutrini ad alta energia provenienti dallo spazio fin dagli anni ’60, e identificarne l’origine è stata una sfida di lunga data in astronomia.
Sebbene gli scienziati abbiano identificato un piccolo numero di fonti di neutrini nelle vicinanze, non possono spiegare la quantità totale di neutrini misurati dai nostri strumenti provenienti da tutto l’Universo, chiamata fondo cosmico di neutrini.
Gli astronomi, quindi, sospettano che esistano altre grandi popolazioni di origine ma rimangono nascoste.
In uno studio pubblicato oggi su Nature Astronomy, un team guidato da Yuji Urata di MITOS Science Co., LTD. a Taiwan presenta l’analisi di un nuovo candidato sorgente di neutrini — una galassia estremamente luminosa, JCMT0402−0424, soprannominata “Shadow Blaster”.
Questa galassia si trova a circa 11 miliardi di anni luce di distanza, ha trilioni di volte la luminosità del Sole nell’infrarosso e potrebbe fornire il tanto ricercato collegamento tra la produzione di neutrini ad alta energia e galassie formative stellari lontane.
La scoperta è stata fatta in parte utilizzando osservazioni del telescopio Gemini North, metà dell’Osservatorio Internazionale Gemini, in parte finanziato dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti e gestito dalla NSF NOIRLab. Lo studio ha inoltre utilizzato osservazioni del James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), gestito dall’Osservatorio dell’Asia Orientale, e del Submillimeter Array (SMA), un’operazione congiunta tra il Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian e l’Istituto di Astronomia e Astrofisica dell’Academia Sinica. Tutti e tre questi telescopi si trovano sulla cima del Maunakea alle Hawai’i.
Nel 2021, l’Osservatorio Neutrini NSF IceCube in Antartide ha allertato la comunità scientifica di un evento di neutrini ad alta energia, chiamato IC 210922A, proveniente da una regione dello spazio in direzione della costellazione di Eridano.
Questo allarme ha attivato rapide osservazioni di follow-up attraverso lo spettro elettromagnetico per cercare un segnale corrispondente che, se rilevato, potesse aiutare a identificare la sorgente del neutrino.
Più squadre di scienziati hanno condotto osservazioni di follow-up utilizzando una varietà di telescopi e strumenti. Tuttavia, nessuno ha riportato controparti convincenti a raggi gamma, X o ottiche, né alcun evento di scoppio di raggi gamma, supernova o disturbo di marea che potesse essere associato all’allerta.
Poi, un paio di giorni dopo l’allarme iniziale, Urata e il suo team avviarono osservazioni con JCMT e SMA e scoprirono Shadow Blaster, la cui posizione e luminosità lo rendevano un candidato promettente come fonte del segnale.
Per approfondire questa galassia, il team organizzò osservazioni di follow-up con l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), gestito per il Nord America dall’Osservatorio Nazionale di Radioastronomia NSF, e scoprirono che Shadow Blaster si trova dietro una forte lente gravitazionale.
Grazie a questo effetto di lente, il team sarebbe stato in grado di studiare la struttura interna di Shadow Blaster, che altrimenti sarebbe troppo distante e troppo debole per essere risolta in modo così dettagliato.
Tuttavia, per utilizzare correttamente l’effetto di lente e capire quanto la lente amplificasse il segnale dei neutrini, era necessario prima conoscere la distanza, la natura e la distribuzione di massa della galassia in primo piano.
Per decifrare questi dettagli, utilizzarono due potenti strumenti su Gemini North: lo Spettrografo Multi-Oggetto Gemini (GMOS) e lo Spettrografo nel Vicino Infrarosso Gemini (GNIRS).
“I dati combinati GMOS e GNIRS ci hanno aiutato a misurare la distanza dalla galassia che lente e a determinare che si tratta di una galassia ellittica massiccia. Queste informazioni sono state cruciali per stimare la distribuzione di massa della lente e costruire un modello della lente gravitazionale,” afferma Urata.
Combinando il modello dell’obiettivo con i dati di imaging ALMA, si è rivelato che la regione centrale di Shadow Blaster contiene un nucleo estremamente compatto, densamente riempito di gas e polvere, che forma nuove stelle a un ritmo intenso.
I modelli teorici prevedono che un ambiente così estremo possa agire come un naturale acceleratore di particelle, dove particelle energetiche coldono ripetutamente con il gas producendo neutrini.
Inoltre, Shadow Blaster non mostra alcuna caratteristica di possesso di un buco nero attivo.
Questo suggerisce fortemente che i neutrini ad alta energia possano essere prodotti non solo da spettacolari getti di buco nero come hanno osservato gli scienziati nelle galassie vicine, ma anche dalla formazione stellare intensa e densamente impacchetata, comune nelle galassie molto lontane.
“Questa scoperta mostra come i rivelatori di particelle e i telescopi diventino molto più incisivi quando lavorano insieme, aprendo una potente finestra ‘multi-messaggero’ sull’Universo”, afferma Martin Still, Direttore di Programma dell’Ufficio Infrastrutture di Ricerca NSF. “Combinando segnali provenienti da particelle e luce, gli scienziati possono esplorare ambienti cosmici e eventi distanti con dettagli senza precedenti — rivelando fenomeni che un tempo erano solo teorici.”
Circa 10 miliardi di anni fa, l’Universo era popolato da galassie come Shadow Blaster che stavano attivamente formando stelle.
Durante questa epoca, le galassie producevano teoricamente un gran numero di raggi cosmici, che sono flussi di particelle ad alta energia in grado di generare neutrini.
Tuttavia, ottenere prove osservative che colleghino un singolo evento di neutrini a una galassia così lontana è stato estremamente difficile, poiché queste galassie sono molto lontane e spesso profondamente nascoste dietro spessi strati di polvere.
La posizione fortuita di Shadow Blaster dietro una lente gravitazionale rende molto più facile trovare queste prove osservazionali.
“Shadow Blaster possiede il tipo di ambiente denso e ricco di gas che i modelli teorici hanno da tempo suggerito possa produrre neutrini ad alta energia in modo efficiente,” afferma Urata.
Unito all’assenza di un corrispettivo più convincente nonostante le ricerche approfondite, Shadow Blaster è il candidato più plausibile per la fonte di IC 210922A.
“Se confermato, Shadow Blaster sarebbe la prima galassia singola polverosa a formare stellare direttamente collegata a un evento di neutrini ad alta energia.”
Galassie compatte che formano stelle come Shadow Blaster possono essere numerose in tutto l’Universo.
Come popolazione, possono quindi contribuire con una frazione significativa del fondo di neutrini ad alta energia che riempie il cosmo.
“La nostra analisi suggerisce che questa popolazione potrebbe contribuire fino a circa il 20% del fondo diffuso di neutrini osservato misurato da IceCube,” afferma Urata.
International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO). Image Processing: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), D. de Martin & M. Zamani (NSF NOIRLab). Acknowledgment: PI: Yuji Urata (MITOS Science Co., LTD.)
