Raggi cosmici

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I raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno, alle quali è esposta la Terra e qualunque altro corpo celeste, nonché i satelliti e gli astronauti in orbita spaziale. La loro natura è molto varia (l'energia cinetica delle particelle dei raggi cosmici è distribuita su quattordici ordini di grandezza), così come varia è la loro origine: il Sole, le altre stelle, fenomeni energetici come novae e supernovae, fino ad oggetti remoti come i quasar.

Flusso dei raggi cosmici in funzione della loro energia. La parte su sfondo giallo è ritenuta essere di origine solare, la parte su sfondo azzurro di origine galattica, la parte di più alta energia di origine extragalattica

Generalità[modifica | modifica sorgente]

In media una particella incide su ogni centimetro quadrato di superficie sulla Terra ogni secondo.

La maggior parte dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra sono prodotti secondari di sciami formati nell'atmosfera dai raggi cosmici primari, con interazioni che tipicamente producono una cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica.

Simulazione degli sciami generati nell'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre

Tali particelle possono essere osservate con speciali apparecchiature. È per evitare queste interferenze che molti laboratori di fisica si trovano nel sottosuolo, come il laboratorio del Gran Sasso.

I raggi cosmici hanno aiutato lo sviluppo della fisica delle particelle: dallo studio di tale radiazione spaziale sono state scoperte particelle come il positrone (la prima particella di antimateria mai scoperta)[1], il muone, e le particelle strane, in un'epoca nella quale la tecnologia degli acceleratori non era sviluppata. Ancora oggi, tuttavia, l'energia dei raggi cosmici è milioni di volte superiore rispetto a quella che si può ottenere dagli acceleratori terrestri.

Nei casi in cui manchi lo schermo dell'atmosfera, come nei satelliti artificiali, i raggi cosmici pongono un problema notevole: l'elettronica di bordo deve essere irrobustita e schermata pena malfunzionamenti, e nel caso di missioni con equipaggio umano gli astronauti stessi sono sottoposti al bombardamento di raggi cosmici che possono avere effetti ionizzanti sui tessuti biologici.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Alvarez (dx) e Compton (sin)

Nel 1785 Coulomb notò che un elettroscopio si scaricava spontaneamente [2].

Dopo la scoperta della radioattività (dovuta nel 1896 ad Antoine Henri Becquerel, Marie Curie e Pierre Curie), numerosi ricercatori notarono fra il 1901 e il 1903 che anche un rivelatore completamente schermato mostrava comunque un segnale, deducendo che la scarica spontanea degli elettroscopi era dovuta a una radiazione altamente penetrante.

L'origine extraterrestre di parte di questa radiazione (i cosiddetti raggi cosmici) è stata scoperta soprattutto grazie agli studi, indipendenti e contemporanei, dell'austriaco Victor Franz Hess e dell'italiano Domenico Pacini, quest'ultimo per mezzo di esperimenti eseguiti fra il 1907 e il 1911 e descritti in una memoria pubblicata nel Nuovo Cimento nel 1912 [3], l'austriaco per mezzo di esperimenti eseguiti fra il 1911 e il 1912 (il volo che consenti' la dimostrazione fu quello del 7 agosto 1912) e pubblicati ugualmente nel 1912[4].

Pacini effettua una misura nel 1910

Pacini poté escludere l'origine terrestre delle radiazioni studiandole nelle acque marine di Livorno e in quelle del lago di Bracciano fra giugno e ottobre 1911 e registrandone la diminuzione dell'intensità all'aumentare della profondità; Hess registrandone l'aumento dell'intensità con l'altezza per mezzo di un pallone aerostatico.

Hess di ritorno dal suo volo in mongolfiera nell'agosto 1912

Victor Hess vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1936 per le sue pionieristiche ricerche nel campo della radiazione cosmica (Pacini era morto da due anni e dunque non più eleggibile). Werner Kolhorster effettuò ulteriori misure negli anni a seguire (1911-1914), fino all'altezza di 9 km, utilizzando palloni aerostatici, e confermo' i risultati di Hess migliorandone la precisione.

Aumento della ionizzazione con l'altitudine nelle misure di Hess (sin) e Kolhorster (dx)

Dopo Hess fu Robert Millikan, negli anni '20, a interessarsi a questa radiazione, e a lui si deve il nome di raggi cosmici: così come Pacini e Hess, egli riteneva che fossero composti principalmente da raggi gamma. Arthur Compton ipotizzò, al contrario, che fossero composti da particelle cariche: successive misurazioni dimostrarono la validità di questa seconda ipotesi. La distribuzione delle radiazione, infatti, variava con la latitudine magnetica, come ci si attende per le particelle cariche sotto l'influenza del campo geomagnetico terrestre.

Nel 1931[5] il fisico italiano Bruno Rossi notò che, se la carica delle particelle era positiva, esse dovevano provenire in maniera preferenziale da ovest: toccò ad Alvarez e Compton [6] dimostrare sperimentalmente la giustezza dell'idea di Rossi.

Negli anni intorno al 1940 Enrico Fermi[7] spiegò il possibile meccanismo di accelerazione dei raggi cosmici, in particolare nei resti di supernova. Il meccanismo di Fermi resta ancora il modello principe per la spiegazione dell'emissione.

Nei primi anni '60 il fisico Giuseppe Cocconi, lavorando al Brookhaven National Laboratory, fu il primo ad ipotizzare che i raggi cosmici altamente energetici fossero di provenienza extragalattica. Tale ipotesi venne in seguito confermata. Cocconi ipotizzò anche che all'emissione di raggi cosmici carichi si accompagnasse l'emissione di raggi gamma; anche quest'ipotesi venne confermata e oggi i raggi gamma vengono utilizzati come tracciatori dell'accelerazione cosmica di particelle.

I raggi cosmici primari[modifica | modifica sorgente]

Al di là dell'atmosfera i raggi cosmici sono costituiti da protoni (per circa il 90%), da nuclei di elio (quasi il 10%); tuttavia anche elettroni ed altri nuclei leggeri, fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria (positroni ed antiprotoni) fanno parte dei raggi cosmici primari. Giunte nell'atmosfera terrestre, tali particelle interagiscono con i nuclei delle molecole dell'atmosfera formando così, in un processo a cascata (vedi figura), nuove particelle proiettate in avanti, che prendono il nome di raggi cosmici secondari.

La composizione e lo spettro in energia sono stati dettagliatamente studiati per la radiazione cosmica primaria. Il flusso relativo all'Idrogeno è poco più del 90%, un po' meno del 10% per l'Elio, 7 × 10−4  per gli elementi leggeri come Litio, Berillio e Boro, e 5 × 10−3  per altri elementi dal Carbonio al Neon.

Lo spettro (numero di raggi incidenti per unità di energia, per unità di tempo, per unità di superficie per steradiante) dei raggi cosmici primari è ben descritto da una legge a potenza nella forma
\phi \propto E^{-\alpha}
con \alpha = 2.7 per valori dell'energia inferiori a \approx {10}^{15} eV. Per valori superiori dell'energia si ha un irripidimento, con \alpha che diviene pari a 3. Il punto in cui tale cambio di pendenza ha luogo viene denominato ginocchio. Per energie ancora più alte (\approx {10}^{18} \div {10}^{19} eV) lo spettro dei raggi cosmici torna ad essere meno ripido, dando luogo ad un ulteriore cambio di pendenza che viene chiamato caviglia.

Caratteristiche dei raggi cosmici secondari[modifica | modifica sorgente]

Lo schema di formazione della radiazione cosmica secondaria

La radiazione secondaria al livello del mare è costituita da due componenti (molle e dura) che hanno diverso comportamento nell'attraversamento di mezzi molto densi (ferro, piombo, …).

La componente molle (circa il 30% della radiazione secondaria), composta da elettroni e fotoni ed in minima parte da protoni, kaoni e nuclei, è capace di attraversare solo pochi centimetri di assorbitore. La componente dura (circa il 70%), composta da muoni, riesce a penetrare spessori di materiali assorbenti di oltre un metro.

Il flusso medio delle particelle che compongono la radiazione, vale a dire il numero di particelle che nell'unità di tempo e nell'unità di superficie raggiungono il livello del mare, è stimato

100 \times \frac {particelle}{m^2 \, s} \approx 0.01 \frac{particelle}{cm^2 \, s}

I raggi cosmici hanno una distribuzione angolare rispetto alla normale alla superficie della Terra descrivibile dalla funzione:

 f( \theta ) = \frac{4}{\pi} \cdot cos^2 \theta \, , \quad \theta \in \Bigl[0,\frac{\pi}{2}\Bigr]

Naturalmente la distribuzione nell'angolo azimutale è uniforme: f(\phi)=(2 \pi)^{-1}. Le particelle che compongono la radiazione sono molto energetiche. Si stima che il flusso medio a livello del mare abbia un'energia media di 3 GeV.

Il leptone μ (muone) è una particella elementare a spin 1/2, massa 105,658389 \plusmn 0,000034  MeV/{c}^2 (circa duecento volte la massa dell'elettrone), e vita media \tau _{\mu} = 2,19703 \plusmn 0,00004 \mu s.

Esiste in due stati di carica (positiva e negativa) e sperimenta due tipi di interazione, oltre quella gravitazionale: l'interazione elettromagnetica e debole.

Come detto in premessa, i μ sono prodotti nell'alta atmosfera principalmente dal decadimento di π carichi:

\pi^+ \rightarrow \mu^+ + \nu_\mu
\pi^- \rightarrow \mu^- + \bar {\nu}_\mu

Alla produzione essi sono caratterizzati da velocità relativistiche e per via del fenomeno della dilatazione temporale riescono a giungere al livello del mare, dove si osserva che i μ+ sono circa il 20% in più dei μ-.

Raggi cosmici ad altissima energia[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Raggi cosmici ad altissima energia.

Uno dei misteri più oscuri della cosmologia moderna sono i raggi cosmici con energie dell'ordine di 10^{20}eV, ossia la quantità di energia di una palla da tennis colpita da un professionista (oltre 100 km/h) concentrata in una sola particella, solitamente un protone. Per contro, la massa a riposo del protone è circa 10^9eV.

Queste particelle hanno una velocità meno di una parte su 10^5 inferiore alla velocità della luce, e a causa dello scattering nel fondo di microonde, dovrebbero avere un'origine entro 200 milioni di anni luce da noi (altrimenti verrebbero assorbite dall'interazione con la radiazione cosmica di fondo). Tuttavia, non si conosce alcun oggetto in grado di generare queste particelle con una tale energia all'interno di questo limite.

Qualche anno fa l'esperimento AGASA in Giappone aveva segnalato l'esistenza di un flusso anomalo di tali enigmatiche particelle; i risultati di AGASA non sono stati tuttavia confermati dall'esperimento Auger, più sensibile.

Raggi cosmici galattici - nuove scoperte[modifica | modifica sorgente]

A seguito osservazioni da parte dell’Osservatorio Australe Europeo utilizzando il sistema Very Large Telescope VLT coordinato con l'osservatorio spaziale Chandra per la rilevazione dei raggi X, e con i rivelatori di raggi gamma MAGIC, HESS, VERITAS e Fermi-GLAST, si è recentemente scoperto il meccanismo che sta alla base dell’accelerazione delle particelle che costituiscono i raggi cosmici galattici (fino all'energia del ginocchio).

Si è dimostrato che i raggi cosmici di energia intermedia (fino a 10000 TeV) che permeano lo spazio interstellare e bombardano costantemente il nostro pianeta, e che provengono dalla Via Lattea, vengono accelerati nei resti delle esplosioni delle supernove (oggetti di massa pari a qualche massa solare). Si è quindi visto che l'energia termica totale causata dall'esplosione delle stelle viene spesa in gran parte per accelerare alcune particelle a velocità prossime a quelle della luce.

Raggi cosmici extragalattici - nuove scoperte[modifica | modifica sorgente]

Nel 2004 il grande rivelatore a terra chiamato Osservatorio Pierre Auger ha cominciato a raccogliere dati; esso campiona attualmente una superficie di oltre 3000 chilometri quadrati (circa tre volte la superficie del comune di Roma) nella pampa argentina vicino a Malargue. L’osservatorio Auger sta fornendo informazioni fondamentali sui raggi cosmici, in particolare indicando che la direzione dei raggi cosmici di energia estremamente alta (superiore ad alcuni joule per particella, ossia a centinaia di milioni di TeV) è correlata ai nuclei delle galassie al di fuori della Via Lattea[8], e in particolare è stata riconosciuta come sorgente la galassia Centaurus A. Sembra quindi provato che l’origine dei raggi cosmici di altissima energia sia legata ai collassi gravitazionali in prossimità dei buchi neri supermassicci (con masse superiori anche a un miliardo di masse solari).

L’astronomia con i raggi cosmici carichi è comunque difficile, perché anche con strumenti grandissimi come Auger il numero di eventi raccolti è piccolo (qualche decina all’anno), e non è possibile “puntare” oggetti esterni al supergruppo locale di galassie intorno alla Via Lattea.

Media[modifica | modifica sorgente]

  • Nella continuity dell'Universo Marvel, una tempesta di raggi cosmici che investe la navicella spaziale è la causa della mutazione genetica di Reed Richards, Susan "Sue" Storm, Johnny Storm e Ben Grimm, i quattro astronauti che, trasformati e dotati di superpoteri grazie all'ondata di energia, andranno a formare il supergruppo dei Fantastici Quattro, la prima famiglia di supereroi mai inventata, nata nei primi anni Sessanta, un momento in cui andavano molto di moda i racconti di fantascienza e di viaggi spaziali.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ C. Anderson, The positive electron in Physical Review, Volume 43, 1933, pp. pp. 491 e seguenti.
  2. ^ C. A. de Coulomb, Memoires sur l'Electricite et le Magnetisme in Mdm. de l'Acad. des Sciences, 1785, pp. pp. 612 e seguenti.
  3. ^ D. Pacini, La radiazione penetrante alla superficie ed in seno alle acque in Il Nuovo Cimento, Serie VI, Tomo 3, 1912. URL consultato il 2000-07-24.
  4. ^ F. Hess, Uber Beobachtungen der durchdringenden Strahlung bei sieben Freiballonfahrten in Physikalische Zeitschrift, XIII, 1912, pp. 1084-91. URL consultato il 2000-07-25.
  5. ^ B. Rossi, Measurements on the Absorption of the Penetrating Corpuscular Rays coming from Inclined Directions in Nature, Volume 128, Issue 3227, 1931, pp. pp. 408 e seguenti.
  6. ^ L. Alvarez, A.H. Compton, A positively charged component of cosmic rays in Physical Review, Volume 43, Issue 3227, 1933, pp. pp. 835 e seguenti.
  7. ^ E. Fermi, On the Origin of the Cosmic Radiation in Physical Review, Volume 75, 1949, pp. p. 1169 e seguenti.
  8. ^ The Pierre Auger Collaboration, Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects, in Science, Volume 318, 2007, pp. pp. 938 e seguenti.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Alessandro De Angelis, L'enigma dei raggi cosmici, Milano: Springer, 2012.
  • Alessandro De Angelis, «Gli enigmi dei raggi cosmici», Le Scienze n. 528 (agosto 2012), pp. 70-77.
  • Bruna Bertucci, «I raggi cosmici», Le Scienze n. 494 (ottobre 2009), pp. 64–71.
  • Bruno Rossi, I raggi cosmici, Torino: Einaudi 1971.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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