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I raggi gamma sono la forma di luce a più alta energia nell'universo. Alcuni sono generati da eventi transitori, come brillamenti solari e le enormi esplosioni stellari note come supernove. Altri sono prodotti da fonti stabili come i buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie.

Fermi Gamma-ray This Web Telescope della NASA ha mappato il cielo ad alta energia sin dal suo lancio nel giugno 2008. All'inizio di quest'anno, il team di Fermi ha pubblicato il suo secondo catalogo di sorgenti rilevate dal Large Area Telescope (LAT) dello strumento, producendo un inventario di 1.873 oggetti che brillano nella luce dei raggi gamma.

Gli scienziati di Fermi hanno recentemente compilato una "lista dei primi 10" per celebrare l'occasione e per evidenziare la diversità delle sorgenti di raggi gamma. Cinque delle fonti nell'elenco si trovano all'interno della nostra Via Lattea, mentre le altre cinque risiedono in galassie lontane.

Le prime cinque fonti di Fermi all'interno della nostra galassia sono:

1. La Nebulosa del Granchio: La famosa Nebulosa del Granchio, situata nella costellazione del Toro, è il relitto di una stella esplosa la cui luce ha raggiunto la Terra nel 1054. Situato a 6.500 anni luce di distanza, il Granchio è uno degli oggetti più studiati della cielo. [ Supernove: foto di esplosioni stellari ]

Nel cuore di una nuvola di gas in espansione si trova ciò che resta del nucleo della stella originale, una stella di neutroni super densa (chiamata anche pulsar) che ruota 30 volte al secondo. Fino a poco tempo, si pensava che tutte le emissioni ad alta energia del Granchio fossero il risultato di processi fisici vicino alla pulsar che attingevano a questa rapida rotazione.

Per decenni, la maggior parte degli astronomi ha considerato la Nebulosa del Granchio come un faro super stabile alle energie dei raggi X. Ma i dati di diversi strumenti orbitanti, incluso il Gamma-ray Burst Monitor di Fermi, ora mostrano variazioni inaspettate. Gli astronomi hanno dimostrato che dal 2008 la nebulosa è sbiadita del 7% ad alte energie, una riduzione probabilmente legata all'ambiente attorno alla sua stella di neutroni centrale.

Dal 2007, Fermi e il satellite AGILE dell'Agenzia Italiana del Web hanno rilevato numerosi bagliori di raggi gamma di breve durata a energie centinaia di volte superiori alle variazioni dei raggi X osservate dalla nebulosa. Ad aprile, i satelliti hanno rilevato due dei più potenti bagliori di raggi gamma mai registrati.

Per spiegare questi "super bagliori", gli scienziati affermano che gli elettroni vicino alla pulsar devono essere accelerati a energie mille trilioni di volte maggiori di quelle della luce visibile. Questo è molto al di là di ciò che può essere ottenuto dal Large Hadron Collider vicino a Ginevra, in Svizzera, ora il più potente acceleratore di particelle sulla Terra. [Fisica contorta: 7 risultati strabilianti]

Il LAT di Fermi ha mappato l'emissione di raggi gamma GeV (magenta) dal resto della supernova W44. Le caratteristiche si allineano chiaramente con i filamenti rilevabili in altre lunghezze d'onda. Questo composito unisce i raggi X (blu) della missione ROSAT guidata dalla Germania, gli infrarossi (rossi) dello Spitzer This Web Telescope della NASA e la radio (arancione) del Very Large Array della NRAO vicino a Socorro, NM (Image credit: NASA/DOE /Collaborazione Fermi LAT, ROSAT, JPL-Caltech e NRAO/AUI)

2. W44: Un altro interessante residuo di supernova rilevato da Fermi è W44. Si pensa che abbia circa 20.000 anni di mezza età per una tale struttura W44 si trova a 9.800 anni luce di distanza nella costellazione dell'Aquila.

Il LAT non solo rileva questo W44, ma rivela in realtà i raggi gamma superenergetici provenienti da luoghi in cui è noto che l'onda d'urto in espansione del residuo interagisce con nubi di gas fredde e dense.

Tali osservazioni sono importanti per risolvere un problema di vecchia data in astrofisica: l'origine dei raggi cosmici. I raggi cosmici sono particelle, principalmente protoni, che si muovono attraverso questa rete quasi alla velocità della luce. I campi magnetici deviano le particelle mentre corrono attraverso la galassia e questa interazione confonde il loro percorso e maschera le loro origini.

Gli scienziati non possono dire con certezza da dove provengano i raggi cosmici di più alta energia, ma considerano i resti di supernova forse la loro origine più probabile.

Nel 1949, l'omonimo del telescopio Fermi, il fisico Enrico Fermi, suggerì che i raggi cosmici di massima energia fossero accelerati nei campi magnetici delle nubi di gas. Nei decenni successivi, gli astronomi hanno dimostrato che i campi magnetici nell'onda d'urto in espansione di un residuo di supernova sono quasi la posizione migliore per il funzionamento di questo processo.

Finora, le osservazioni LAT di W44 e molti altri resti suggeriscono fortemente che l'emissione di raggi gamma deriva da protoni accelerati quando entrano in collisione con atomi di gas.

3. V407 Cygni: V407 Cygni è un cosiddetto sistema binario simbiotico che contiene una nana bianca compatta e una stella gigante rossa che si è gonfiata a circa 500 volte la dimensione del sole.

V407 Cyni si trova a circa 9.000 anni luce di distanza nella costellazione del Cigno. Il sistema di tanto in tanto si accende quando il gas della gigante rossa si accumula sulla superficie del nano e alla fine esplode. Questo evento è talvolta chiamato nova (da un termine latino che significa "nuova stella").

Quando l'ultima eruzione del sistema si è verificata nel marzo 2010, il LAT di Fermi ha sorpreso molti scienziati rilevando la nova come una fonte brillante. Gli scienziati non si aspettavano che questo tipo di esplosione avesse il potere di produrre raggi gamma ad alta energia.

4. Pulsar PSR J0101-6422: Le stelle di neutroni a rotazione rapida Pulsar costituiscono circa il 6% del nuovo catalogo. In alcuni casi il LAT può rilevare direttamente gli impulsi di raggi gamma, ma in molti casi gli impulsi sono stati trovati per la prima volta a lunghezze d'onda radio sulla base del sospetto che una debole sorgente LAT potesse essere una pulsar.

PSR J0101-6422 si trova nella costellazione meridionale di Tucana, il suo nome strano riflette la sua posizione nel cielo.

Il team di Fermi inizialmente ha notato l'oggetto come una sorgente di raggi gamma abbastanza luminosa ma non identificata in un precedente catalogo LAT. Poiché la distribuzione delle energie dei raggi gamma nella sorgente assomigliava a quella che si vede normalmente nelle pulsar, i radioastronomi in Australia l'hanno osservata usando il loro radiotelescopio di Parkes.

Le pulsar sono stelle di neutroni, oggetti compatti che racchiudono una massa maggiore di quella del sole in una sfera grande più o meno come Washington, DC Fasci di radiazione simili a quelli di un faro alimentati dalla rapida rotazione della pulsar e dal forte campo magnetico spazzano il cielo ad ogni rotazione, e gli astronomi possono rilevare questi raggi se si spostano verso la Terra.

Lo studio di Parkes ha scoperto che i segnali radio di una pulsar ruotano a quasi 400 volte al secondo paragonabili alla rotazione di un frullatore da cucina nella stessa posizione della sconosciuta sorgente di Fermi. Con queste informazioni, il team di LAT è stato in grado di scoprire che anche il PSR J0101-6422 lampeggia nei raggi gamma alla stessa incredibile velocità.

5. 2FGL J0359.5+5410: Gli scienziati Fermi non sanno cosa pensare di questa sorgente, che si trova nella costellazione del Camelopardalis. Risiede vicino al popoloso piano mediano della nostra galassia, il che aumenta le possibilità che sia effettivamente un oggetto nella Via Lattea.

Sebbene il suo spettro di raggi gamma assomigli a quello di una pulsar, le pulsar non sono state rilevate e non è associato a un oggetto noto ad altre lunghezze d'onda.

Le prime cinque fonti oltre la Via Lattea sono:

Questo composito radio, ottico e di raggi gamma illustra l'intera estensione dei vasti lobi radio-emittenti del Cen A. I dati radio (arancione) rivelano che le strutture coprono più di 1,4 milioni di anni luce e i dati LAT di Fermi (viola) mostrano che emettono anche raggi gamma. (Credito immagine: collaborazione NASA/DOE/Fermi LAT, Osservatorio Capella e Ilana Feain, Tim Cornwell e Ron Ekers (CSIRO/ATNF), R. Morganti (ASTRON) e N. Junkes (MPIfR))

1. Centauro A: La gigantesca galassia ellittica NGC 5128 si trova a 12 milioni di anni luce di distanza nella costellazione meridionale del Centauro. Una delle galassie attive più vicine, ospita la luminosa sorgente radio designata Cen A. Gran parte dell'emissione radio deriva da lobi di gas larghi un milione di anni luce, che sono stati espulsi dal buco nero supermassiccio al centro della galassia. [Foto: Buchi neri dell'universo]

Il LAT di Fermi rileva i raggi gamma ad alta energia da un'estesa regione intorno alla galassia che corrisponde ai lobi che emettono radio. L'emissione radio proviene da particelle in rapido movimento. Quando un fotone a bassa energia si scontra con una di queste particelle, il fotone riceve un calcio che aumenta la sua energia nel regime dei raggi gamma.

È un processo che assomiglia più al biliardo che all'astrofisica, ma il LAT di Fermi mostra che sta accadendo nel Cen A.

Anche la nostra galassia vicina, Andromeda, si chiama Messier 31 o M31. Qui, è catturato per intero in questa nuova immagine di WISE. (Credito immagine: NASA/JPL-Caltech/UCLA)

2. La Galassia di Andromeda (M31): A una distanza di 2,5 milioni di anni luce, la Galassia di Andromeda è la galassia a spirale più vicina a noi, di dimensioni e struttura simili alla nostra Via Lattea. Facilmente visibile ad occhio nudo in un cielo scuro, è anche uno dei bersagli preferiti dagli osservatori del cielo.

Il team LAT prevedeva di rilevare M31 perché è così simile alla nostra galassia, che sfoggia una banda luminosa di emissione diffusa che crea la caratteristica più importante nel cielo di raggi gamma. Questi raggi gamma sono per lo più prodotti quando i raggi cosmici ad alta energia colpiscono il gas tra le stelle.

"Ci sono voluti due anni di osservazioni LAT per rilevare M31", ha affermato in una nota Jrgen Kndlseder dell'Istituto di ricerca per l'astrofisica e la planetologia di Tolosa, in Francia. Attualmente scienziato in visita presso lo SLAC National Accelerator Laboratory in California, ha lavorato allo studio M31.

"Abbiamo concluso che la Galassia di Andromeda ha meno raggi cosmici della nostra Via Lattea, probabilmente perché M31 forma stelle comprese quelle che muoiono come supernove, che aiutano a produrre raggi cosmici più lentamente della nostra galassia", ha aggiunto Kndlseder.

Pennacchi di idrogeno incandescente esplodono dal centro di M82, una nota galassia che sta subendo un torrente di formazione stellare. Questo mosaico di sei immagini scattate nel 2006 dall'Hubble This Web Telescope è il più nitido mai ottenuto dell'intera galassia. (Credito immagine: NASA, ESA e The Hubble Heritage Team (STScI/AURA))

3. The Cigar Galaxy (M82): ciò che funziona per la galassia di Andromeda funziona ancora meglio per M82, una cosiddetta galassia starburst che è anche una delle preferite dagli astronomi dilettanti. M82 si trova a 12 milioni di anni luce di distanza nella costellazione dell'Orsa Maggiore.

La regione centrale di M82 forma giovani stelle a una velocità circa 10 volte superiore a quella della Via Lattea, attività che garantisce anche un alto tasso di supernove poiché le stelle più di breve durata arrivano a una fine esplosiva.

Alla fine, la formazione stellare superpotente di M82 diminuirà quando il gas necessario per creare nuove stelle verrà consumato, ma ciò potrebbe avvenire tra decine di milioni di anni in futuro. Per ora, è una sorgente luminosa di raggi gamma per Fermi.

4. Blazar PKS 0537-286: Al centro di una galassia attiva c'è un enorme buco nero che guida getti di particelle che si muovono vicino alla velocità della luce. Gli astronomi chiamano la galassia un blazar quando uno di questi getti è puntato verso di noi, la migliore visuale per vedere brillamenti drammatici quando le condizioni cambiano all'interno del getto. [Video: Di Blazar e Buchi Neri]

PKS 0537-286 è un blazar variabile nella costellazione del Leone e il secondo oggetto LAT più distante. Gli astronomi hanno stabilito che la galassia si trova a più di 11,7 miliardi di anni luce di distanza.

Il blazar è la galassia attiva più lontana nel catalogo Fermi a mostrare variabilità. Gli astronomi stanno assistendo ai cambiamenti nel jet alimentato dal buco nero supermassiccio di questa galassia che si è verificato quando l'universo aveva solo 2 miliardi di anni (ora ha circa 13,7 miliardi di anni).

5. 2FGL J1305.0+1152: L'ultimo oggetto è un altro oggetto misterioso, situato nella costellazione della Vergine e in alto sopra il piano medio della nostra galassia. Rimane debole anche dopo due anni di osservazioni LAT.

Un indizio per classificare questi oggetti risiede nel loro spettro di raggi gamma, ovvero il numero relativo di raggi gamma visti a diverse energie. Ad una certa energia, gli spettri di molti oggetti mostrano ciò che gli astronomi chiamano "interruzione spettrale", un calo maggiore del previsto nel numero di raggi gamma visti a energie crescenti.

Se questo oggetto fosse una pulsar, mostrerebbe un taglio veloce alle energie più elevate. Molti blazar mostrano tagli molto più graduali. Ma 2FGL J1305.0+1152 non mostra alcuna prova di una rottura spettrale, lasciando comunque la sua natura un vero mistero per ora.

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