Uno dei grandi misteri del secolo scorso è stato l’origine dei raggi cosmici di più alta energia che hanno colpito la terra con un’energia alta più di un milione di volte. Un urto maggiore rispetto a quello dei più alti fasci artificiali del collisore del CERN. Poiché la maggior parte di questi raggi cosmici sono particelle cariche, sono piegate dai campi magnetici nella galassia e, di conseguenza, non puntano alla loro origine. I raggi gamma ad altissima energia tracciano dove vengono prodotte le particelle di energia più elevate.
Ma, sono rari e, come tali, richiedono rivelatori con un’enorme area di raccolta – molto più grande di quella che può essere costruita nello spazio. Quindi, per rilevare questi raggi gamma, i rilevatori terrestri osservano le cascate di particelle chiamate docce d’aria estese. Prodotte quando i raggi gamma colpiscono l’atmosfera.
HAWC: che cos’è e come funziona
Un telescopio unico per i raggi gamma ad altissima energia. L’Osservatorio di acqua ad alta quota Cherenkov (HAWC) è un telescopio unico realizzato principalmente per acqua. Si trova sulle alte montagne del Messico, a 4100 m sul livello del mare e all’interno del Parque Nacional Pico de Orizaba. Dal suo completamento nel marzo 2015, HAWC è il campo visivo più sensibile del mondo (FOV). Utilizza continuamente un telescopio EAS ad alta energia. Le osservazioni di HAWC svolgono un ruolo fondamentale nelle campagne multi-lunghezza e multi-messenger attuali e pianificate. La collaborazione HAWC comprende circa 140 scienziati provenienti da 30 istituzioni dagli Stati Uniti, dal Messico e dall’UE.
La luce di Cherenkov è un’onda d’urto elettromagnetica prodotta quando le particelle relativistiche si muovono più velocemente della velocità della luce nel mezzo in cui viaggiano. Simile al boom sonico prodotto da un aeroplano che supera la velocità del suono. HAWC consiste in una serie di 300 grandi rivelatori Cherenkov (WCD) che contengono 188.000 litri (~ 50k galloni) di acqua filtrata. Oltre ai quattro tubi fotomoltiplicatori rivolti verso l’alto, che misurano i lampi blu della luce Cherenkov prodotta quando le particelle EAS colpiscono l’acqua.
Utilizzando i tempi dell’arrivo del fronte della doccia attraverso l’array (con una precisione da tempo a sub-nanosecondo), HAWC può ricostruire la direzione della particella primaria entro 0,2˚. Usando il modello di luce sul terreno, l’HAWC può distinguere tra le docce generate dai raggi gamma e le docce generate dai raggi cosmici carichi.
Inoltre fornisce monitoraggio giornaliero, imparziale, delle sorgenti galattiche variabili e degli AGN vicini. Che sono galassie che hanno un buco nero super-massiccio (100 milioni di massa solare) al centro e getti relativistici perpendicolari al piano della galassia. Alcuni dei quali sono osservati essere altamente variabile con razzi su scale temporali brevi come minuti. HAWC fornisce avvisi alla comunità quando vengono osservati razzi in modo che altri strumenti possano eseguire il follow-up.
Peraltro, l’elevato ciclo di lavoro e l’ampio campo visivo di HAWC gli conferiscono una straordinaria capacità di monitorare il cielo TeV. Per i transienti provenienti da fonti sconosciute quali:
- Busti di raggi gamma.
- Eventi di onde gravitazionali.
- Eventi di neutrini ad alta energia.
Gli obiettivi scientifici di HAWC sono:
- Studiare l’origine dei raggi cosmici osservando i raggi γ da sorgenti discrete nel piano galattico.
- Aumentare la nostra comprensione degli acceleratori di particelle di energia più alta della natura e usare questa comprensione per cercare nuova fisica in ambienti fisici estremi che non possono essere replicati sulla Terra.
- Monitoraggio simultaneo del cielo, come osservato da altri ampi osservatori sul campo visivo, come ad esempio:
- Telescopio spaziale a raggi gamma Fermi: un osservatorio di raggi gamma GeV;
- IceCube – un osservatorio di neutrini TeV;
- LIGO / Vergine – un osservatorio dell’onda gravitazionale.
- Cherenkov Telescope Array – un futuro telescopio a raggi gamma europeo.
I raggi gamma ad alta energia
HAWC osserva i raggi gamma nell’intervallo teraelettrone, con una sensibilità che va da 0,5 TeV a ben oltre 100 TeV. HAWC misura la luce Cherenkov prodotta nei suoi serbatoi d’acqua da particelle di pioggia che raggiungono il suolo. Ciò consente a HAWC di operare 24 ore al giorno e di visualizzare quasi tutto il cielo ogni giorno.
L’indagine di HAWC sul cielo ci ha fornito una visione unica della nostra galassia. Ha rivelato più di 20 fonti precedentemente non rilevate e ha fornito obiettivi per osservazioni di follow-up da parte di altri rivelatori di raggi gamma e neutrini. Non va dimenticato che il raggio gamma scoppia.
I GRB sono alcuni degli eventi più energetici dell’Universo che durano da frazioni di un secondo ad alcune ore. Sono di origine extragalattica e si verificano senza preavviso. Uno strumento a tutto tondo come HAWC ha l’opportunità di osservare questo fenomeno al suo esordio. Oltre a misurare i raggi gamma di energia più alta. Quindi, oltre a cercare le controparti TeV per i GRB segnalati dai satelliti, gli studiosi stanno utilizzando i dati HAWC per cercare in modo indipendente i GRB. Notificare così, alla comunità, un rilevamento significativo in pochi secondi.
La collaborazione LIGO / Virgo ha annunciato la scoperta di cinque eventi di onde gravitazionali ad alta confidenza. Uno era la fusione di due stelle di neutroni. Questo evento è stato anche rilevato dal satellite Fermi come un breve evento di GRB ei follow-up di numerosi osservatori a più lunghezze d’onda hanno identificato una controparte ottica. Questo evento era per lo più al di fuori del FOV di HAWC.
Far luce sulla materia oscura
Una delle caratteristiche uniche di HAWC è la capacità di studiare oggetti estesi. Di particolare interesse sono le pulsar di mezza età che potrebbero alterare l’ambiente locale. Oltre ad essere la fonte dell’eccesso anomalo di positroni sulla Terra, rilevato da strumenti spaziali. Questo eccesso è stato citato come un possibile segnale di materia oscura.
Molte di queste pulsar sono state rilevate per la prima volta da HAWC. Misurando la distribuzione radiale e lo spettro energetico di questi oggetti, che si estende oltre i 40 TeV. HAWC ha dimostrato che è improbabile che i positroni di queste fonti siano l’origine dell’eccesso di positrone. Il rafforzamento, ma in nessun modo la dimostrazione, della materia oscura come origine dell’eccesso di positrone.
Buchi neri primordiali
Molte teorie correnti del primo universo predicono la produzione di buchi neri primordiali (PBH). Un buco nero ha una temperatura inversamente proporzionale alla sua massa ed emette radiazione di fotoni e particelle. Che aumenta man mano che la sua massa diminuisce. Un PBH che si è formato con una massa iniziale di circa un trilione di chilogrammi nell’universo primordiale – pochi giorni fa – con una raffica di particelle ad alta energia. Compresi i raggi gamma nell’intervallo di energia da MeV a TeV. HAWC è un rilevatore ideale per cercare PBH.
Il successo di HAWC ha portato un gruppo di scienziati di tutto il mondo a iniziare a pianificare un nuovo Southern Survey Observatory (SGSO). Uun rilevatore EAS situato in un sito di alta quota nelle montagne del Sud America. L’obiettivo sarebbe quello di fornire una copertura del cielo del sud con una soglia ancora più bassa e una maggiore energia per integrare la prossima generazione di strumenti multi-messenger.
