venerdì 1 aprile 2016

I misteriosi raggi cosmici

L'Universo che possiamo osservare attraverso la luce che ci arriva dai corpi celesti rappresenta solo una minuscola parte di una realtà molto più ampia e complessa. I nostri occhi, infatti, sono sensibili solo a un piccolissimo intervallo di frequenze elettromagnetiche, che per convenzione abbiamo chiamato luce. Tuttavia, le onde elettromagnetiche possono avere frequenze che i nostri occhi non riescono a percepire, anzi, gran parte dell'Universo emette radiazione elettromagnetica che noi non vediamo. E' per questo motivo che ci siamo inventati telescopi in grado di farci osservare l'invisibile. I radiotelescopi indagano le onde radio, emesse da fenomeni violenti come i nuclei delle galassie che nascondono immensi buchi neri, ma anche dall'immensa quantità di gas rarefatto e freddo (circa -200°C) che riempie le galassie a spirale.

I telescopi a infrarossi indagano una regione dello spettro elettromagnetico in cui è molto forte l'emissione delle stelle rosse e della polvere cosmica. Sì, anche nel Cosmo c'è un problema di polveri, come accade nelle nostre case. Tuttavia, al contrario della nemica di tutte le stanze, la polvere cosmica è fondamentale per la nascita delle stelle e dei pianeti: se nella Via Lattea non ci fosse stata la polvere, la Terra non sarebbe nata perché il nostro pianeta è un aggregato di polveri cresciuto fino a migliaia di chilometri di diametro.
Dall'altra parte dello spettro, verso energie maggiori, troviamo l'ultravioletto, emesso dalle stelle più calde e massicce che conosciamo, poi i raggi X e gamma che si generano negli ambienti più violenti, come i buchi neri galattici che fagocitano grandi quantità di materia o l'esplosione di stelle almeno 8 volte più massicce del Sole, chiamate supernovae. Per nostra fortuna l'atmosfera terrestre ci protegge da queste onde elettromagnetiche così potenti che diminuirebbero di molto la nostra aspettativa di vita.

Lo spettro elettromagnetico.


Non tutto l'Universo, però, si fa osservare attraverso le onde elettromagnetiche, che vengono emesse ogni volta che una particella carica viene sottoposta a un’accelerazione.
Esistono altri fenomeni con cui i corpi celesti si fanno notare e studiare. Da poco tempo abbiamo avuto una spettacolare prova attraverso le onde gravitazionali, o radiazione gravitazionale. In pratica, possiamo osservare i fenomeni più violenti dell'Universo attraverso le rapide modificazioni della forza di gravità che producono quando si verifica un fenomeno di oscillazione. Il caso tipico è quello di due buchi neri che ruotano l'uno attorno all'altro fino a fondersi. L'emissione di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica in questi casi è minima o addirittura nulla, ma le onde gravitazionali trasportano enormi quantità di energia, decine di volte superiore alle onde elettromagnetiche prodotte da tutte le stelle dell’Universo osservabile. La loro osservazione potrebbe darci in futuro un'incredibile occasione di osservare i fenomeni che le producono in abbondanza con un dettaglio che al momento non possiamo neanche immaginare e che di certo non potremo mai ottenere attraverso le onde elettromagnetiche.

Lo spettro delle onde gravitazionali


Esiste un altro modo attraverso cui l’Universo ci comunica la sua presenza; è poco conosciuto ma lo sappiamo sfruttare molto meglio della neonata astronomia delle onde gravitazionali. Molti corpi celesti, oltre alla radiazione elettromagnetica, emettono anche una grande quantità di particelle cariche che si muovono quasi alla velocità della luce. Queste particelle sono dette raggi cosmici e rappresentano una ghiotta opportunità per osservare la realtà da un’altra prospettiva; proprio quello che ci vuole quando cerchiamo di comprendere qualcosa di tremendamente difficile come l’Universo. I raggi cosmici sono particelle composte per il 90% da nuclei di idrogeno, o in altre parole da protoni, le particelle fondamentali dei nuclei atomici. Circa il 9% è composto da nuclei di elio, dette anche particelle alpha. Il resto è un miscuglio di particelle più pesanti, fino ai massicci nuclei di ferro, o più leggere ed elusive come neutrini, elettroni e positroni.

Lo spettro dei raggi cosmici. Sono riportate le frequenze d'impatto delle particelle in funzione dell'energia. Le più energetiche e dannose sono per fortuna molto rare, con una frequenza di un impatto ogni chilometro quadrato di superficie ogni anno. Le meno energetiche, ma comunque dannose, impattano l'atmosfera terrestre al ritmo di


Se i nostri occhi potessero osservare i raggi cosmici, vedrebbero un cielo 10 o persino 100 volte più brillante di quello notturno: sarebbe come trovarsi di notte sotto il cielo pieno di inquinamento luminoso di una grande metropoli come Milano o Roma, in cui le stelle visibili si conterebbero sulle dita di due mani. L’Universo, sotto questa nuova “luce”, apparirebbe privo di astri e illuminato in modo perfettamente uniforme. I raggi cosmici, infatti, poiché sono composti da particelle cariche, sono molto sensibili ai campi magnetici e la Via Lattea ne possiede uno molto, molto complicato. La grandissima parte dei raggi cosmici, sebbene provenga da particolari corpi celesti, viene diffusa e deviata in modo casuale dal campo magnetico della Via Lattea, al punto che questi perdono del tutto memoria della direzione iniziale dalla quale sono stati emessi. Questo è un bel problema perché di fatto non potremo mai risalire direttamente ai corpi celesti che li emettono e infatti ancora si discute sulle misteriose e violente origini di questa continua flotta di particelle. Sicuramente sono coinvolti fenomeni violenti come le esplosioni di supernovae e stelle di neutroni rapidamente rotanti. Una percentuale di raggi cosmici viene direttamente dal Sole e si intensifica durante le tempeste solari, quando la nostra stella emette una grande quantità di particelle cariche, sebbene con energie molto minori dei raggi cosmici provenienti dallo spazio aperto. Ci sono raggi cosmici che sono così energetici che provengono addirittura da altre galassie e viaggiano praticamente alla velocità della luce, con energie milioni di volte superiori rispetto a quelle raggiungibili dai migliori acceleratori di particelle mai costruiti sulla Terra (come LHC).

I raggi cosmici sono anche molto pericolosi per la nostra salute, perché di fatto si tratta di una potente forma di radioattività. Protoni lanciati a velocità molto prossime a quelle della luce possono penetrare la nostra pelle, distruggere le cellule e il DNA e causare malattie gravi e mortali, proprio come la normale radioattività prodotta da materiali come l’uranio. Per fortuna abbiamo uno schermo naturale che provvede a proteggerci in modo piuttosto efficace: la nostra atmosfera. Fuori da questo sottile strato d’aria, il flusso di raggi cosmici energetici raggiunge le 10 mila particelle al secondo, per ogni metro quadrato di superficie e per unità di angolo solido. In altre parole, una persona nello spazio viene attraversata ogni secondo da circa 100 mila particelle al secondo, un valore enorme! Sulla Terra, grazie alla presenza del nostro pianeta sotto e dell’atmosfera sopra, il flusso di particelle si riduce di molto, a qualche centinaio di particelle, massimo un migliaio. Inoltre, i pericolosi protoni vengono trasformati in particelle dette secondarie, tipicamente muoni, neutrini ed elettroni, meno energetiche e molto meno dannose per la nostra salute. Muoni e neutrini, addirittura, possono attraversare il nostro corpo come se non esistesse, tanto sono riluttanti a interagire con altre particelle, quindi sono del tutto innocui.  

Un raggio cosmico molto energetico non viene deviato dal campo magnetico terrestre e raggiunge la nostra atmosfera. Gli urti con le molecole d'aria creano una cascata di particelle secondarie con energie minori e con una probabilità di interazione con il nostro corpo molto limitata.

Anche il campo magnetico terrestre ci protegge molto dai raggi cosmici meno energetici, come quelli solari. Mano a mano che ci allontaniamo dalla superficie terrestre il flusso di particelle radioattive che ci colpisce aumenta. Già alla quota di un volo di linea, in 10 ore si assorbe una radioattività pari a quella di 3-5 panoramiche dentali: mica male!
Nella stazione spaziale internazionale, dove resta solo la protezione del campo magnetico terrestre, il flusso di particelle, quindi di radiazione, è circa 800 volte superiore rispetto al livello del mare: ecco perché gli astronauti non restano mai per lunghi periodi nello spazio, al massimo, ma proprio massimo, per un anno. Fuori dalla protezione del campo magnetico terrestre le cose peggiorano: il flusso di raggi cosmici aumenta di un’altra volta e mezzo. In tutto questo calcolo non abbiamo considerato i raggi cosmici prodotti dal Sole durante le tempeste, che vengono bloccati in modo efficace dal campo magnetico terrestre perché relativamente poco energetici ma che nello spazio interplanetario possono uccidere un astronauta se venisse investito in pieno dal flusso di una forte tempesta. La mancanza di protezione del campo magnetico terrestre e l’imprevedibile minaccia solare rappresentano i pericoli maggiori di un lungo viaggio con equipaggio umano verso Marte. Se mai un giorno l’uomo si spingerà così lontano, dovrà trovare un modo per schermare i raggi cosmici durante il viaggio e sulla superficie del pianeta rosso: un’operazione per niente banale perché servirebbero pareti di piombo spesse qualche centimetro, che farebbero aumentare in modo esponenziale il peso dell’astronave.

I raggi cosmici più energetici sono di origine galattica o extragalattica, mentre quelli meno energetici provengono dal Sole, che con il suo campo magnetico blocca quelli di origine esterna ma che con le sue imprevedibili tempeste può rappresentare una minaccia per tutti coloro posti fuori dalla protezione del campo magnetico terrestre, come gli eventuali astronauti che si spingeranno, un giorno, verso Marte.
 
Sebbene il Sole possa rappresentare un pericolo per quanto riguarda le sue tempeste di particelle cariche, in realtà ci fornisce una grande protezione dallo spazio interstellare. Il suo campo magnetico, infatti, protegge tutti i pianeti del Sistema Solare deviando parte dei raggi cosmici meno energetici, ma ugualmente dannosi per la nostra salute. Non è un caso, infatti, che durante i minimi solari il flusso di raggi cosmici con energia inferiore a qualche GeV (Giga elettronVolt) provenienti dallo spazio interstellare aumenti anche del 15-20% rispetto a quando il nostro Sole attraversa un massimo di attività e ci protegge in modo più efficace con il suo campo magnetico.

Problemi di salute a parte, i raggi cosmici che penetrano il campo magnetico terrestre, quindi quelli di origine galattica con energie superiori a 1 GeV, si pensa svolgano un ruolo fondamentale per la nostra sopravvivenza. E' infatti opinione diffusa tra la comunità scientifica che i raggi cosmici svolgano la fondamentale azione di inseminazione delle nubi, senza la quale non avremmo precipitazioni sulla superficie terrestre. Per generare le nuvole, infatti, servono due ingredienti: una temperatura più bassa del punto di condensazione del vapore acqueo e dei nuclei di condensazione attorno ai quali il vapore inizi a condensare. Se l'aria a qualche chilometro di quota fosse pura, il vapore acqueo non condenserebbe mai e di fatto non si formerebbero né nubi, né tantomeno precipitazioni. I nuclei di codensazione ideali sono rappresentati dagli atomi atmosferici ionizzati dal passaggio di raggi cosmici, e in generale da particelle cariche nella giusta quantità. Se il flusso infatti non fosse attenuato dal campo magnetico terrestre, l'atmosfera sarebbe stata spazzata via come quella di Marte e noi saremmo stati cancellati dalle radiazioni. Nella giusta quantità, invece, i raggi cosmici possono limitare i loro danni e rivelarsi i salvatori del Pianeta. E' spettacolare osservare come un fenomeno che sembra dannoso per la nostra salute mostri invece un'altra faccia della medaglia che lo rende addirittura indispendabile alla vita come la conosciamo. Questa è una prova ulteriore che l'Universo non conosce i concetti di bene o male: lui si limita a funzionare secondo le regole che si è dato nel momento della nascita.
  
I raggi cosmici si possono osservare più spesso di quanto si pensi. Nelle immagini della sonda Soho, ad esempio, si vedono spesso delle linee brillanti che scompaiono già nell’immagine successiva: questo è l’effetto del passaggio di un raggio cosmico sul sensore. Al contrario della luce, un raggio cosmico trasporta molta più energia, quindi attraversa un grande spessore del sensore di ripresa (o addirittura può trapassarlo) e produce non un punto brillante ma una scia di luce. Anche nelle immagini ottenute dagli astronomi amatoriali, in particolare quelle a lunga esposizione e con camere CCD, sono spesso visibili, e fastidiosi, gli effetti del passaggio dei raggi cosmici. Non è un caso se esiste una vera e propria disciplina dell’astronomia, chiamata astrofisica delle particelle, che attraverso la costruzione di telescopi sensibili solo a queste particelle cariche cerca di capire quante ce ne sono, quanta energia hanno, da dove vengono (questo è molto più difficile) e la loro composizione chimica.

Raggi cosmici misti a stelle in una ripresa del telescopio spaziale Hubble.
 
Una piccola percentuale di raggi cosmici, infatti, è formata da antimateria e il cui studio è molto importante. Una tipica particella di antimateria è identica alla materia normale ma ha carica opposta, come se fosse vista in uno speciale specchio. Un elettrone, quindi, ha come antiparticella il positrone, che è un elettrone in tutto e per tutto ma con carica positiva. Un protone ha come antiparticella un antiprotone, che gli equivale se non per la carica, che è negativa. Poiché si pensa che nell’Universo primordiale si creavano in modo uguale materia e antimateria, la scienza si chiede perché ora viviamo in un universo dominato dalla materia e se esistono zone in cui a dominare è l’antimateria. Di fatto, studiando l’Universo sotto la “luce” dei raggi cosmici cerchiamo di rispondere a una delle più importanti domande di sempre: perché esistiamo e siamo fatti di materia? Quando una particella di antimateria ne incontra una di materia, queste all’istante si trasformano in energia, ovvero in un’onda elettromagnetica molto energetica. Se nell’Universo primordiale si fosse generata esattamente la stessa quantità di materia e antimateria, noi non esisteremmo perché tutto quanto si sarebbe trasformato in energia e l’Universo sarebbe fatto solo di fotoni. Qualcosa, che ancora non conosciamo, qualche asimmetria nelle leggi fisiche, ha fatto sì che per un istante brevissimo la creazione di materia sull’antimateria fosse leggermente più veloce, creando una sovrabbondanza di una parte su un miliardo, che è poi tutta la materia che è sopravvissuta. Di fatto, noi siamo il risultato di una particella su un miliardo che è sopravvissuta alle tumultuose fasi iniziali dell’Universo; siamo il frutto di un evento ben più raro di qualsiasi vincita alla lotteria, eppure siamo qui e nessuno sa, ancora, per quale motivo.

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