Nel cosmo esistono diversi ambienti caratterizzati da onde d’urto capaci di convertire l’energia cinetica di gas e flussi di particelle in calore, turbolenze, energia magnetica e, infine, di accelerare particelle fino a energie relativistiche, producendo raggi cosmici. Le dimensioni di tali sistemi possono variare di molti ordini di grandezza, dalle dimensioni tipiche dell’ambiente interplanetario fino agli enormi ammassi di galassie. Questi meccanismi vengono studiati principalmente attraverso l’emissione di radiazione elettromagnetica da parte delle particelle ad altissima energia, in particolare la radiazione di sincrotrone emessa da elettroni relativistici in moto attorno alle linee di campo magnetico nelle onde d’urto.
Configurazione schematica della sonda Parker Solar Probe, l’emissione di sincrotrone e la geometria delle onde d’urto e del campo magnetico nei due giorni di osservazione. Crediti: I. C. Jebaraj et al. ApJL, 2024
La fisica dell’emissione di sincrotrone e il legame tra le proprietà spettrali di questa radiazione con le caratteristiche fisiche del sistema responsabile dell’accelerazione sono da tempo oggetto di studio. Inoltre, l’invarianza di scala che caratterizza questi processi (ossia la conservazione delle proprietà e delle leggi fisiche al variare delle dimensioni del sistema) permette di sfruttare lo studio delle onde d’urto prodotte nell’eliosfera e nell’ambiente interplanetario per comprendere meglio ciò che avviene in sistemi più grandi e distanti, come i resti di supernova, che sono responsabili dell’accelerazione di molti dei raggi cosmici di origine galattica.
Misure locali nell’eliosfera di campi magnetici ed emissione di sincrotrone sono oggi possibili grazie alla sonda della Nasa Parker Solar Probe, progettata per effettuare passaggi ravvicinati al Sole. Il 24 dicembre 2024 la sonda ha raggiunto una distanza di 6.1 milioni di km, muovendosi a un’incredibile velocità di circa 200 km/s. Un team di ricercatori guidato dall’astrofisico Immanuel Christopher Jebaraj dell’Università di Turku (Finlandia) ha analizzato i dati ottenuti dalla Parker Solar Probe il 5 settembre 2022 e il 13 marzo 2023. In quesi due giorni, la Parker Solar Probe aveva osservato emissioni di sincrotrone prodotte da particelle accelerate in onde d’urto caratterizzate da un diverso orientamento tra la direzione del campo magnetico e quella di propagazione dell’onda d’urto: una configurazione “quasi parallela” il primo giorno e “quasi perpendicolare” il secondo giorno.
Lo studio dimostra come la diversa geometria delle onde d’urto si rifletta in differenti caratteristiche dell’emissione di sincrotrone, come la sua polarizzazione, e in una diversa efficienza nell’accelerazione delle particelle, che risulta essere maggiore in una geometria “quasi parallela”. Questo conferma i risultati di studi precedenti sull’accelerazione di raggi cosmici nel resto di supernova Sn 1006 attraverso osservazioni ai raggi X. I dati della Parker Solar Probe si confermano quindi estremamente importanti sia per la comprensione dei processi fisici che caratterizzano l’eliosfera e l’ambiente interplanetario, sia per quelli che avvengono in ambienti più estesi e lontani, come i resti di supernova.
«Questo studio presenta la prima osservazione di radiazione di sincrotrone da onde d’urto che si propagano nell’eliosfera», sottolinea Marco Miceli dell’Università di Palermo, fra i coautori dell’articolo che riporta il risultato su The Astrophysical Journal Letters. «La possibilità di osservare in situ il processo di accelerazione degli elettroni e l’emissione elettromagnetica che ne deriva ci ha permesso di utilizzare l’eliosfera come una sorta di laboratorio per riprodurre in scala ciò che avviene nei ben più potenti shock associati alle esplosioni stellari. Grazie ai dati della Parker Solar Probe – e alla complicità del Sole – siamo riusciti a osservare due eventi in condizioni molto diverse fra loro, con diverse orientazioni del campo magnetico rispetto al fronte di shock. Abbiamo così potuto provare la maggiore efficacia del processo di accelerazione negli shock quasi-paralleli».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “Direct Measurements of Synchrotron-Emitting Electrons at Near-Sun Shocks”, di I. C. Jebaraj, O. V. Agapitov, M. Gedalin, L. Vuorinen, M. Miceli, R. Vainio, C. M. S. Cohen, A. Voshchepynets, A. Kouloumvakos, N. Dresing, A. Marmyleva, V. Krasnoselskikh, M. Balikhin, J. G. Mitchell, A. W. Labrador, N. Wijsen, E. Palmerio, L. Colomban, J. Pomoell, E. K. J. Kilpua, M. Pulupa, F. S. Mozer, N. E. Raouafi, D. J. McComas e S. D. Bale