La particella "Oh-My-God": il raggio cosmico che colpì la Terra con l'energia di una pallina

Immaginate una singola particella subatomica, milioni di volte più piccola di un granello di polvere, che arriva dallo spazio con la stessa energia cinetica di una pallina da baseball lanciata a quasi cento chilometri orari. Sembra impossibile, eppure è esattamente ciò che un rivelatore nello Utah registrò il 15 ottobre 1991. Gli scienziati la ribattezzarono particella Oh-My-God, ed è ancora oggi uno dei più affascinanti enigmi irrisolti dell'astrofisica. Si tratta del raggio cosmico più energetico mai osservato fino a quel momento.

Una sera del 1991 nel deserto dello Utah

A captarla fu il Fly's Eye, un rivelatore dell'Università dello Utah installato a Dugway. Quando un raggio cosmico colpisce l'atmosfera, non arriva fino a terra: si scontra con le molecole d'aria e genera una pioggia di particelle secondarie, uno sciame atmosferico che emette una debole luce ultravioletta. Misurando quella luce, i fisici risalgono all'energia della particella iniziale. Il valore ottenuto quella sera fece sobbalzare tutti: circa 3,2 × 10²⁰ elettronvolt, pari a una cinquantina di joule concentrati in un unico protone. La scoperta venne descritta nel 1995 sull'Astrophysical Journal dal gruppo guidato da Daniel Bird.

Per dare un'idea: un elettronvolt è l'energia minuscola che un elettrone acquista attraversando una differenza di potenziale di un volt. La particella Oh-My-God ne aveva oltre trecentomila miliardi di miliardi. Per accumularla, viaggiava a una frazione della velocità della luce con più di venti "nove" dopo la virgola: praticamente indistinguibile dal fotone che le correva accanto.

Il muro che non avrebbe dovuto superare

Il vero problema non è solo l'energia, ma il fatto che quella particella non dovrebbe esistere con quei numeri. Negli anni Sessanta i fisici Kenneth Greisen, Georgij Zatsepin e Vadim Kuzmin previdero che esistesse un tetto naturale per l'energia dei raggi cosmici provenienti da grandi distanze, oggi noto come limite GZK, attorno a 5 × 10¹⁹ eV. La ragione è elegante: un protone abbastanza energetico, viaggiando per milioni di anni luce, urta i fotoni della radiazione cosmica di fondo e perde progressivamente energia. Di conseguenza, una particella oltre il limite GZK deve essere stata accelerata relativamente vicino a noi, in termini cosmici entro poche decine di milioni di anni luce.

Ma allora da dove veniva la particella Oh-My-God? Guardando la direzione di arrivo, gli astronomi non hanno trovato nelle vicinanze alcuna sorgente ovvia capace di sparare protoni a energie simili. È come ricevere una pallottola in casa senza riuscire a individuare da quale finestra sia stata sparata.

Non era un caso isolato: arriva "Amaterasu"

Per anni si è temuto che l'evento del 1991 fosse un errore di misura. Invece osservatori successivi hanno confermato che questi mostri energetici esistono davvero. Il più importante caccia-raggi-cosmici dell'emisfero sud è l'Osservatorio Pierre Auger, in Argentina, che copre una superficie di tremila chilometri quadrati con centinaia di rivelatori. Nell'emisfero nord opera invece il Telescope Array, ancora nello Utah.

Proprio il Telescope Array, il 27 maggio 2021, ha registrato un secondo evento clamoroso, con un'energia di circa 2,4 × 10²⁰ eV. Gli scienziati lo hanno soprannominato particella Amaterasu, dalla dea del Sole shintoista, e i risultati sono stati pubblicati nel 2023 su Science. Anche in questo caso la direzione di provenienza punta verso una zona di cielo apparentemente vuota, il cosiddetto Local Void, rendendo l'origine ancora più sconcertante.

Chi spara questi proiettili cosmici?

Le ipotesi non mancano. Tra i candidati ci sono i nuclei galattici attivi, alimentati da buchi neri supermassicci, i lampi di raggi gamma, le onde d'urto delle supernovae più potenti. Alcuni fisici si spingono a immaginare meccanismi ancora ignoti, legati magari a nuova fisica oltre il Modello Standard. Il fatto è che nessuna sorgente conosciuta, nelle direzioni e alle distanze giuste, sembra reggere il confronto con i numeri.

La particella Oh-My-God resta così un promemoria affascinante di quanto poco conosciamo dell'universo violento. Un singolo protone, accelerato da un acceleratore naturale infinitamente più potente di qualsiasi macchina costruita dall'uomo, ha attraversato lo spazio per raggiungere il deserto dello Utah e regalarci una domanda che la fisica non ha ancora chiuso: là fuori, qualcosa sta sparando proiettili a energie che noi non sappiamo nemmeno spiegare.

Come si "pesa" un raggio cosmico

Misurare l'energia di una particella che non possiamo toccare richiede un ingegno notevole. Il rivelatore Fly's Eye, che captò la particella Oh-My-God, non osservava il protone in sé, ma la debole luce ultravioletta emessa dalle molecole d'azoto eccitate lungo lo sciame atmosferico generato dall'impatto. Da quella fluorescenza, ricostruita istante per istante, gli scienziati risalivano all'energia totale dello sciame e quindi della particella originaria. Gli osservatori più moderni combinano questa tecnica con vaste reti di rivelatori a terra, che misurano la "pioggia" di particelle secondarie nel punto in cui tocca il suolo.

La difficoltà maggiore è la rarità. Alle energie estreme di cui parliamo, ci si aspetta che una particella simile colpisca una data area grande un chilometro quadrato all'incirca una volta ogni secolo. Per catturarne abbastanza da fare statistica servono perciò rivelatori giganteschi e anni di osservazione paziente. Ecco perché ogni singolo evento di questo tipo viene analizzato con estrema cura, e perché conferme indipendenti come quella della particella Amaterasu hanno un valore enorme.

C'è poi un ostacolo che rende ancora più sfuggente l'origine di questi proiettili: lungo il loro tragitto, i campi magnetici galattici e intergalattici possono deviarne la traiettoria. Risalire alla sorgente seguendo a ritroso la direzione di arrivo diventa così un'impresa incerta, un po' come cercare di capire da dove è partito un sasso osservando solo il punto in cui è caduto dopo aver rimbalzato più volte. È una delle ragioni per cui, a oltre trent'anni dalla prima osservazione, la domanda resta aperta.

Fonti e approfondimenti

La scoperta del 1991 è descritta nello studio di Bird et al. sull'Astrophysical Journal; l'evento Amaterasu del Telescope Array è documentato su Science. Per la ricerca attuale sui raggi cosmici di altissima energia si vedano i siti dell'Osservatorio Pierre Auger e del Telescope Array.