Raggi cosmici, Intersellar Medium, Transizioni in riga, appunti esame Processi di radiazione & MHD

Giovedì 9 novembre 2017

Raggi cosmici

Cosa sono i raggi cosmici?

• Natura particellare - Nuclei atomici totalmente ionizzati (senza elettroni) di altissima energia (relativistici) il particolare processo che ha portato alla loro ionizzazione determina la loro origine. Elettroni e positroni di altissima energia particelle ultrarelativistiche.
• Radiazione (fotoni) di altissima energia (raggi gamma).

Vantaggi della radiazione

Qual è il vantaggio della radiazione rispetto alle particelle fisiche? Il campo magnetico terrestre e quello solare sono in grado di deflettere tutte le particelle cariche. Le particelle dei raggi cosmici, interagendo con il campo magnetico, vengono "confuse". Per alcuni particolari campi magnetici possiamo ricostruire, analizzando le linee di campo, il percorso inverso compiuto dalle particelle durante l'evoluzione, ma ci sono campi magnetici di cui non conosciamo la struttura al 100%. Al contrario, i fotoni non interagiscono con il campo magnetico e possiamo risalire alla loro origine conservando l'informazione sulla loro direzione di provenienza.

Inoltre, le particelle possono interagire con il mezzo che attraversano, se questo è molto denso, e con la densità di energia della radiazione presente nel mezzo. In altre parole, i raggi possono viaggiare indisturbati dall’eventuale presenza di campi magnetici, altra radiazione, materia, mantenendo la direzione di provenienza. Cosa non vera per i nuclei: tanto più sono leggeri i nuclei, tanto più è facile deviarne la traiettoria, dunque non siamo in grado di dire esattamente quale sia la loro origine.

I campi magnetici sono in grado di deflettere i raggi cosmici, e in particolare, campi magnetici di una certa tipologia sono in grado di confinare i raggi cosmici. Ad esempio, i raggi cosmici vengono confinati se il raggio di Larmor del campo magnetico è più piccolo delle dimensioni di una galassia. Man mano che aumenta l’energia del raggio cosmico, meno è probabile che venga deviato e quindi non è più confinato in una componente spaziale.

Energia dei raggi cosmici

Il range di energia coperto dai raggi cosmici va dalla massa a riposo dell’elettrone (0.511 MeV) fino ad energie dell’ordine di 10²⁰ eV. Questo ci dà informazioni sulla loro origine.

Origine dei raggi cosmici

NB: Una possibile sorgente di raggi cosmici sono le onde d’urto, durante le quali vengono generate particelle di alta energia. Tali particelle, non perdendo energia per sincrotrone, viaggiano nell'universo sottoforma di raggi cosmici, quindi finirà per costituire i raggi cosmici tutta quella parte della materia, generata come "prodotto secondario" in dati processi astrofisici, che trasporta energia "materia silente".

La vita media degli elettroni ultrarelativistici (poiché le particelle meno massive perdono energia più velocemente) è minore rispetto alla vita media delle altre particelle che costituiscono i raggi cosmici.

Classificazione dei raggi cosmici

Raggi cosmici primari (origine extraterrestre)

I raggi cosmici primari sono originati effettivamente come raggi cosmici; sono coloro che hanno subito l'accelerazione che li ha portati, da particelle classiche, ad avere altissima energia cinetica fino a diventare un fluido ultrarelativistico. La composizione è formata prevalentemente da protoni e nuclei di elio, oltre a altri nuclei più pesanti dell'elio, con composizione essenzialmente nucleonica. Gli elettroni rappresentano una frazione piccola (~1%) e vi è un’asimmetria del plasma in termini di energia. Il plasma è fatto da particelle cariche di altissima energia e elettroni con energia significativamente minore. L'energia non è equipartita come prima (per esempio nel sincrotrone avevamo k=1). Nei raggi cosmici, k è dell’ordine di 100.

Raggi cosmici secondari

I raggi cosmici secondari sono generati dall'urto di un raggio cosmico primario con un bersaglio. L’urto anelastico genera un alto numero di particelle e parecchia radiazione. L'energia cinetica iniziale viene convertita in massa (equivalenza massa-energia), energia cinetica delle particelle post-urto e radiazione elettromagnetica. Sono costituiti per la maggior parte da muoni (+μ, -μ). La parte più interessante della componente secondaria sono gli elettroni, che interagendo con il campo magnetico terrestre possono emettere per sincrotrone, oppure scatterare per inverse Compton i fotoni di un eventuale campo di radiazione.

La parte dei raggi cosmici secondari che riusciamo a misurare è prodotta dall'interazione dei raggi cosmici primari con le molecole dell’atmosfera terrestre: dipende dal libero cammino medio dei raggi lungo la loro traiettoria e le interazioni con le molecole della nostra atmosfera avvengono ad altitudini di circa 15 km. È un processo, come sempre, stocastico e probabilistico: il 50% dei raggi cosmici primari che provengono dall’universo si schiantano sul suolo terrestre prima di interagire con l’atmosfera; il restante 50% interagisce con l’atmosfera dando origine ai raggi cosmici secondari.

NB: La probabilità di interazione dipende dal numero di "bersagli" (quantità di materia, quantità di massa) per unità di densità di superficie, misurata in g/cm², quantitativo di materia attraverso la superficie unitaria che rappresenta la densità di bersagli contro cui il raggio cosmico può schiantarsi. Più è elevata la densità di superficie, più è elevata la probabilità che un raggio cosmico primario collida con una particella dell’atmosfera generando un raggio cosmico secondario. Il numero di particelle secondarie prodotte è dell'ordine di 10⁶ (dipende dall'energia del raggio cosmico primario e dalla massa del bersaglio contro cui avviene l’urto) e, generalmente, le particelle tipiche che hanno origine da questi urti sono mesoni carichi (pioni positivi e negativi e kaoni).

I raggi cosmici sono indicatori della radioattività naturale legata alla presenza dell'isotopo 14 del carbonio. Infatti, interagendo con l’atmosfera terrestre, sono responsabili della continua produzione di isotopi instabili, tra cui il carbonio 14: n¹⁴ + N → p + C¹⁴.

Origine extraterrestre dei raggi cosmici secondari

NB: I raggi cosmici secondari possono avere anche origine extraterrestre (non è detto che si originano solo dall’interazione con l’atmosfera terrestre): poiché la probabilità di interazione dei raggi cosmici primari con la materia dipende dalla densità, è più probabile che lo scontro avvenga sul disco della nostra galassia, piuttosto che nello spazio vuoto intergalattico: tra queste due zone c’è infatti una differenza di densità dell’ordine di 2/3 ordini di grandezza.

Tutte le particelle secondarie, almeno inizialmente, mantengono una direzione di movimento relativamente vicina a quella dei raggi cosmici primari che le hanno originate. Le particelle che costituiscono lo sciame rimangono abbastanza collimate vicino alla direzione originaria (direzione di provenienza del raggio cosmico primario prima dell’urto) a causa dell’eventuale presenza di un campo magnetico e dipendentemente dalla loro massa, queste particelle subiscono poi deviazioni di traiettoria.

Spettro di energia dei raggi cosmici primari

Distribuzione del flusso osservato dei raggi cosmici in funzione dell’energia (espressa in eV). In ordinata: flusso numero di particelle nell’unità di area (m²), di angolo solido (sterad), di massa delle particelle (GeV), nell’unità di tempo. Lo spettro si estende per almeno tredici ordini di grandezza, da qualche decina di MeV a circa 10²⁰ eV. I raggi cosmici di altissima energia sono noti come UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays).

Distribuzione a legge di potenza tipica di particelle ultrarelativistiche: ci aspettiamo che la produzione di raggi cosmici derivi da onde d'urto. Qualsiasi processo astrofisico caratterizzato dalla presenza di un’onda d’urto mi aspetto sia un buon meccanismo per la produzione di raggi cosmici. La legge di potenza è leggermente discontinua, cioè è caratterizzata da cambiamenti di pendenza: la pendenza è compresa tra 2.6 e 3.5, la pendenza media è 3.39.

Ad energie inferiori a qualche GeV (10^-10) lo spettro risulta fortemente modificato da effetti locali legati all’attività solare (vento solare e campi magnetici ad esso associati) per cui è difficile stabilirne la forma primaria. Ad energie superiori lo spettro è ben approssimato da una legge di potenza della forma N(E) ∝ E^-δ con esponente -δ = 2.6 per energie comprese tra 10¹⁰ e 10¹⁵. È universalmente riconosciuto che c'è un leggero irripidimento (δ = 2.2 – 2.3) intorno a 10¹⁵ (ginocchio): sulla Terra arriva un numero minore di particelle con energie dell’ordine di 10¹⁵: una all’anno per metro quadro. Questo irripidimento è attribuito alla fuga delle particelle più energetiche, che non possono essere confinate dal campo magnetico galattico. A 10¹⁸ c'è un leggero appiattimento (caviglia): formazione di particelle con energia dell’ordine di 10¹⁸: una all’anno per chilometro quadro.

Si noti che la pendenza varia non solo per meccanismi fisici ma anche a causa delle diverse metodologie di misurazione, in quanto differenti rilevatori, cioè differenti tecniche di rilevazione, hanno efficienze differenti (tutti i rilevatori ottengono la medesima pendenza per un dato intervallo di energia ma ciò che cambiano sono le normalizzazioni).

Metodi di rilevazione dei raggi cosmici

• Fino a 10¹⁵ eV: rilevatori di particelle quali satelliti in aria e palloni aerostatici (su orbite basse).
• Particelle di più elevata energia: serie di rilevatori di particelle secondarie o fotoni messe a terra.

Parte storica

• I primi esperimenti sui raggi cosmici risalgono al 1911. Hess raggiungeva altitudini di 10 mila metri (mediante esperimenti con palloncini che inviavano rilevatori ad alta quota) e riusciva a catturare tracce di particelle cariche di altissima energia su lastre fotografiche sensibili a tali particelle.
• La scoperta vera e propria risale a circa 1 secolo fa: all'aumentare dell'altitudine aumentava il numero di particelle captate, sì capì che tali particelle non potevano avere origine terrestre ma extraterrestre.
• 1932-1936: scoperta dei positroni e dei muoni come componente dei raggi cosmici.
• 1934-1938: scoperta degli sciami di particelle e sviluppo della teoria della cascata elettromagnetica e della generazione delle particelle secondarie (Bethe e Heitler).
• 1947: scoperta pione.
• 1949: modello di Fermi, meccanismo di accelerazione di particelle cariche basato sulla diffusione magnetica delle cariche dal movimento di nubi magnetizzate.
• 1952: misura del "Ground accelerators", gli acceleratori a terra hanno raggiunto la capacità di misurare energie superiori a 1 GeV, dividendo la fisica delle alte energie dalla fisica dei raggi cosmici (astrofisica).
• 1962: rilevamento del primo raggio cosmico con energia dell’ordine di 10²⁰ eV.
• 1972: il satellite SAS-2 ha aperto la strada all’astronomia dei raggi gamma ad alta energia.
• 1976: il primo prototipo di rilevatore di neutrini subacqueo su larga scala è stato avviato alle Hawaii.
• 2007: scoperta dell’origine extragalattica degli UHECR.

Composizione dei raggi cosmici

• Componente nucleonica
• Componente elettronica (e positronica): componente secondaria; spettro a legge di potenza con pendenza di 0.2 per energie minori a 1 GeV, 0.1 per energie vicine a 1 GeV, 0.05 per energie comprese tra 5 e 20 GeV.
• Componente fotonica

Componente nucleonica

Parte particellare pesante (idrogeno, elio, carbonio, ossigeno, neon). Le loro abbondanze nei raggi cosmici sono sostanzialmente diverse dall'abbondanza relativa nel Sole. È necessario capire se i raggi cosmici, una volta prodotti, possono interagire e venire modificati: Spallation. Le particelle, una volta prodotte, si frantumano parzialmente in nuclei più leggeri. Dovrei quindi avere una sovrabbondanza di idrogeno e elio ma questa sovrabbondanza non si osserva: anzi questi due elementi, seppure sono gli elementi più abbondanti della componente nucleonica, sono sottoabbondanti rispetto all’abbondanza del mezzo interstellare. La ragione della relativa scarsezza di idrogeno ed elio nei raggi cosmici non è ancora ben capita. Può riflettere la composizione delle sorgenti da cui originano i raggi cosmici oppure essere dovuta a un differente comportamento dei vari elementi durante la propagazione.

Nonostante le differenze chimiche, gli elementi dall’idrogeno al ferro hanno una distribuzione a legge di potenza simile, espressa dalla legge N(E) ∝ E^-δ con δ ≈ 2.7 per E ≤ 1 GeV. A basse energie si nota un cambiamento dell’andamento dello spettro dovuto agli effetti del campo magnetico terrestre e del vento solare. Si riscontra un’abbondanza di ferro relativa all’idrogeno maggiore di quella che normalmente ci si aspetterebbe (cioè di quella che normalmente si riscontra nel sistema solare). Questo potrebbe essere dovuto a varie opzioni: sottoabbondanza di idrogeno rispetto a quella normalmente riscontrata nel sistema solare, sovrabbondanza di ferro rispetto a quella normalmente riscontrata nel sistema solare, o entrambe le cose. Le ultime due opzioni ci dicono che la presenza di nuclei di Fe può essere legata alla generazione di raggi cosmici.

Come viene prodotto il Fe? Il Fe è prodotto dall’esplosione di supernova e liberato nell’ISM. Questo ci suggerisce che possibili sorgenti di raggi cosmici siano le esplosioni di supernove e durante questi fenomeni vengono prodotte onde d’urto che, accelerando le particelle, potrebbero essere all’origine dei raggi cosmici. Questa tesi è corroborata dal fatto che la distribuzione in energia a legge di potenza che si riscontra nei raggi cosmici è caratteristica di particelle accelerate da onde d’urto.

Grafico: abbondanze relative dei vari nuclei nei raggi cosmici (GCR), normalizzate rispetto all’idrogeno e confrontate con le medesime abbondanze nel sistema solare. Notiamo che:

• Le abbondanze nei raggi cosmici, normalizzate all'idrogeno, hanno un esponente negativo: ciò vuol dire che l'elemento più abbondante è l’idrogeno.
• C’è un’abbondanza di idrogeno ed elio nella composizione chimica dei raggi cosmici minore di circa 1 ordine di grandezza rispetto a quella tipica del sistema solare. La ragione della relativa scarsezza di idrogeno ed elio nei raggi cosmici non è ancora ben capita, anche perché è in contraddizione con la spallation = frammentazione di nuclei pesanti in nuclei leggeri.
• C’è una piccola sovrabbondanza di ferro nei raggi cosmici rispetto alle abbondanze tipiche che si riscontrano nel sistema solare. Ciò indica che un’eventuale sorgente di raggi cosmici siano le esplosioni di supernove e le pulsar, sorgenti ricche di elementi pesanti.
• C’è una sovrabbondanza, rispetto alle abbondanze tipiche del Sistema Solare, di nuclei leggeri quali Li, Be, B (sovrabbondanza anche di 5/6 ordini di grandezza). A cosa è dovuta questa sovrabbondanza? Interpretazione: SPALLATION. I nuclei di elementi pesanti, quali carbonio, azoto, ossigeno, ferro, non vengono distrutti nell'interazione con il mezzo ambiente (raggi cosmici primari) ma, avendo alta energia, tendono a disgregarsi leggermente e a produrre elementi più leggeri, con numero atomico più piccolo. Il prodotto della disgregazione sono elementi leggeri come berillio e elementi un po' più pesanti come litio che pertanto appaiono sovrabbondanti rispetto alle abbondanze nel Sistema Solare. Questo fenomeno di sgretolamento parziale di alcuni nuclei pesanti è, ovviamente, un processo statistico, che dipende da quanta materia i nuclei atomici hanno modo di incontrare. La probabilità della frammentazione dipende dalla densità superficiale del mezzo ambiente con il quale i nucleoni originari interagiscono (generalmente ISM): per produrre questa modifica delle abbondanze dei raggi cosmici a favore di nuclei di litio, berillio e un po' più leggeri del ferro, i raggi cosmici devono interagire in media con una densità superficiale dell’ISM dell'ordine di ^{4 g/cm-2} (è sostanzialmente una sezione d’urto). Questa densità superficiale è una misura dello spessore del materiale attraversato: la probabilità di interazione dipende dallo spessore della nube di plasma interagente e la capacità delle particelle di attraversare questo spessore dipende dalle diverse specie chimiche. Dalle osservazioni, si suppone che circa il 60% dei raggi cosmici attraversi spessori trascurabili e non si frammenti (raggi cosmici nativi). Il 40% invece viene completamente frammentato, perché attraversa spessori molto maggiori, in cui avviene la spallation.