DISCO DI ACCRESCIMENTO

CAMPO ELETTRICO

CAMPO MAGNETICO

CORRENTE DI ACCRESCIMENTO I STELLA DI NEUTRONI

PROTONE

— RAGGIO GAMMA

STELLA COMPAGNA

VERSO LA TERRA

p

ochi problemi hanno preoccupatocosì a lungo gli astrofisici o sfi-dato la loro immaginazione co-

me quello dell'origine della radiazionecosmica. Le proprietà di tale radiazionesono state rivelate gradualmente nel cor-so dei decenni a partire dal 1912, quan-do per la prima volta ne venne dimostra-ta l'esistenza dal fisico austriaco VictorF. Hess. Essa è formata principalmentedai nuclei atomici privi di elettroni, inmoto a velocità molto prossima a quelladella luce. I nuclei sono talmente ener-getici che si ritiene che la potenza pro-dotta nella nostra galassia sotto forma diraggi cosmici sia molto maggiore di quel-la irradiata, per esempio, sotto forma diraggi X o di radioonde. Tuttavia, mentremolti dei più stimolanti progressi inastronomia derivano dalla dettagliataanalisi delle sorgenti di raggi X e di onderadio, fino a poco tempo fa l'origine deiraggi cosmici era oggetto di sole ipotesi.Sembrava che essi provenissero da tuttele regioni dello spazio, piovendo sullaTerra da tutte le direzioni a un tassouniforme.

Finalmente, oggi è stata scoperta unaimportante sorgente. L'oggetto è chia-mato Cygnus X-3, perché è il terzoemettitore di raggi X, in termini di inten-sità, nella costellazione del Cygnus: ven-ne osservato per la prima volta dagliastronomi che si occupano di raggi Xverso la fine degli anni sessanta ed èbalzato alla ribalta nel 1972 per una vio-lenta esplosione nella quale l'intensitàdelle sue emissioni radio aumentò di unmigliaio di volte. Recentemente è anchestato scoperto che è una sorgente di raggigamma di alta energia. Sono proprio iraggi gamma che hanno permesso diidentificare Cygnus X-3 come una sor-gente di radiazione cosmica: essi posso-no essere prodotti solo da particelle ca-riche in moto a velocità prossime a quel-la della luce.

Non vi è ancora uniformità di vedutesu come queste particelle vengano acce-lerate a velocità così elevate e sono stati

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proposti molti modelli del processo. Lamaggior parte dei ricercatori è convintache Cygnus X-3 sia un sistema binario distelle a distanza di circa 37 000 anni lu-ce, quasi sul bordo della Galassia. Essonon può essere osservato in luce visibileanche con i grandi telescopi a causa dellenubi di polvere nei bracci di spirale dellaGalassia. Tuttavia, le emissioni osserva-te ad altre lunghezze d'onda indicanoche si tratta di uno dei due o tre oggettipiù luminosi della Via Lattea.

Una qualunque sorgente di radiazionecosmica dovrebbe essere un poten-

te acceleratore di particelle per spiegarel'enorme energia dei singoli raggi cosmi-ci. I più energetici hanno energie supe-riori a 10 20 elettronvolt. (Il che significapiù di 100 milioni di volte l'energia chesi prevede venga impressa alle particelledel progettato Superconducting Super-collider (ssc) che dovrebbe essere il piùpotente acceleratore di particelle co-struito dall'uomo.) L'altra estremità del-lo spettro energetico dei raggi cosmici èdefinita in modo alquanto arbitrario: siconsidera un raggio cosmico qualsiasiparticella proveniente dallo spazio dienergia superiore a 10 8 elettronvolt. Ladefinizione non comprende solo parti-celle, ma anche fotoni di raggi gamma,che sono i quanti della radiazione elet-tromagnetica.

Tuttavia, i raggi gamma sono solo po-co meno dello 0,1 per cento di tutti i

raggi cosmici: il resto sono particelle. Glielettroni costituiscono circa 1'1 per centodel flusso totale; sono presenti anche al-cuni antielettroni (positoni o positroni)e antiprotoni, ma la maggior parte deiraggi cosmici è costituita da nuclei ato-mici. Circa il 92 per cento di essi è costi-tuito da ioni di idrogeno, che sono sem-plicemente singoli protoni privati dei lo-ro elettroni. L'elio, il secondo elementoin ordine di peso atomico, costituisce cir-ca il 6 per cento del flusso mentre gli altrielementi comuni sono presenti in quan-tità molto minori.

Il fatto più importante relativo allacomposizione chimica della radiazionecosmica è che essa riproduce strettamen-te, nella maggior parte dell'intervalloenergetico osservato, la composizione ditutta la Galassia. La questione può sem-brare marginale, ma in realtà esclude di-verse ipotesi sull'origine dei raggi cosmi-ci. Per esempio, essi non possono esseretutti residui del big bang, che produssequasi esclusivamente idrogeno. E nep-pure possono avere origine da vecchiestelle giunte a un elevato grado di evo-luzione, perché in tal caso dovrebbe es-servi una frazione molto maggiore di nu-clei più pesanti. (Si pensa che gli elemen-ti più pesanti dell'elio siano stati sinte-tizzati all'interno delle stelle e duranteesplosioni di supernova, mediante rea-zioni di fusione.) I raggi cosmici o devo-no avere origine da un oggetto di com-posizione particolare oppure da un gran

Raggi cosmici da Cygnus X-3Dopo decenni di infruttuose ricerche gli astronomi hanno scoperto che lasorgente di particelle e di raggi gamma che bombardano la Terra èprobabilmente una stella binaria che si trova ai bordi della Galassia

di P. Kevin MacKeown e Trevor C. Weekes

I modelli di Cygnus X-3 presuppongono che si tratti di un sistema di stelle binario, in cui unacomponente è una densa stella di neutroni. In un modello la stella di neutroni è una pulsar inrapida rotazione (in alto) che accelera i protoni alle energie dei raggi cosmici e li espelle inogni direzione. Alcuni protoni colpiscono i nuclei di gas nello strato esterno della stellacompagna, producendo raggi gamma altamente energetici che proseguono lungo la traiettoriadel protone. I raggi gamma vengono rivelati a terra in due fasi dell'orbita della pulsar. Nelmodello ad aggregazione o accrescimento (in basso) il campo gravitazionale della stella dineutroni strappa materia alla stella compagna e il suo campo magnetico induce un intensocampo elettrico nel disco rotante di materia aggregata. I protoni sono accelerati alle energiedei raggi cosmici lungo le linee del campo elettrico; alcuni collidono con i nuclei di gas nellacorrente di accrescimento e producono raggi gamma. I raggi gamma di alta energia hannopermesso di identificare Cygnus X-3 come una sorgente cosmica ad almeno 37 000 anni luce.

PARTICELLE CARICHE NUBE MOLECOLARE —

RESTO DISUPERNOVA

TERRA

o

L'origine dei raggi cosmici è stata spiegata in due modi. Secondo il modello di Fermi (in alto),i raggi cosmici vengono prodotti nello spazio interstellare. Le particelle di bassa energia emesseda stelle comuni vengono accelerate alle velocità caratteristiche dei raggi cosmici, quandocollidono con nubi di gas magnetizzato in movimento o con onde d'urto in espansione prove-nienti da esplosioni di supernova. Un'ipotesi alternativa è che i raggi cosmici provengano daun piccolo numero di oggetti esotici in grado di accelerare particelle alle alte energie (in basso).I nuclei carichi che costituiscono la maggior parte della radiazione vengono deflessi dal campomagnetico galattico e quindi la loro direzione non indica la sorgente di provenienza. Invece iraggi gamma, essendo elettricamente neutri, si allontanano in linea retta dalla sorgente.

numero di oggetti completamente diver-si, che assieme danno luogo a un miscu-glio medio di elementi.

Altre osservazioni escludono la possi-bilità che la radiazione cosmica che bom-barda oggi la Terra possa essere il risul-tato di un singolo evento catastrofico lo-cale, quale un'esplosione solare o l'e-splosione di una vicina supernova. Inprimo luogo, l'analisi delle tracce di io-nizzazione lasciate nelle meteoriti daparticelle cariche dei raggi cosmici faipotizzare che la densità dei raggi cosmi-ci nel sistema solare sia rimasta quasicostante nei miliardi di anni trascorsi. Letracce di ionizzazione appaiono come di-fetti nella struttura cristallina di una me-teorite: il numero di esse, insieme all'etàdella meteorite (nota per mezzo delladatazione radioisotopica) fornisce il tas-

so medio al quale la meteorite è statacolpita dai raggi cosmici.

In secondo luogo, la densità dei raggicosmici nel sistema solare sembra esse-re caratteristica dell'intera Galassia. Laprova di questa conclusione è indiretta ederiva dall'osservazione in tutta la Ga-lassia delle emissioni di sincrotrone allelunghezze d'onda radio. La radiazione disincrotrone, che ha una polarizzazionecaratteristica, viene emessa principal-mente da elettroni relativistici, in motoin un campo magnetico. Un elettronerelativistico nello spazio è un raggio co-smico; supponendo che gli elettroni e lealtre particelle dei raggi cosmici sianopresenti nelle regioni di emissione di sin-crotrone nelle stesse proporzioni osser-vate in vicinanza della Terra, si può per-venire a una stima approssimata della

densità complessiva dei raggi cosmici inparti lontane della Galassia.

Se si sa per quanto tempo le particellealtamente energetiche hanno viaggiatonello spazio prima di collidere con i nu-clei del gas interstellare, si può perfinocalcolare il tasso al quale la Galassia de-ve produrre raggi cosmici per poter man-tenere la densità osservata. Le stime del-la durata di vita dei raggi comici si ba-sano su un particolareggiato esame dellacomposizione della radiazione. Pur se lacomposizione assomiglia complessiva-mente a quella di tutta la Galassia, sonopresenti in particolare abbondanza ele-menti leggeri quali litio, berillio e boro.Non si prevede che tali elementi sianoprodotti da reazioni di fusione nelle stel-le. Essi hanno origine quasi sicuramentedalla frammentazione di elementi pe-santi che sono entrati in collisione conatomi di gas stazionari nello spazio in-terstellare. Dalla loro abbondanza rela-tiva nella radiazione cosmica e da unastima della densità del gas interstellare,si può calcolare per quanto tempo unraggio cosmico medio è stato nello spa-zio: circa 20 milioni di anni.

Questa cifra, insieme alle energie os-servate, porta a una stima dell'emissionedi potenza della Galassia sotto forma diradiazione cosmica. Ovviamente ciascu-no di tali calcoli contiene grandi incer-tezze, ma si pensa che il valore correttosia compreso nell'intervallo tra 10 40 e1041 erg al secondo. La Galassia generasotto forma di raggi cosmici meno po-tenza di quella irradiata sotto forma diluce visibile (10 44 erg al secondo), mapiù di quella complessivamente irradiatasotto forma di radioonde (10 39 erg alsecondo) e di raggi X (2 x 10 39 erg alsecondo). Qualunque possa essere lasorgente dei raggi cosmici, è evidenteche essi vengono prodotti a un tassoenorme.

Storicamente ci sono state due scuole principali di pensiero sull'origine dei

raggi cosmici. Secondo la prima, con acapo il fisico Enrico Fermi, i nuclei deiraggi cosmici vengono immessi nellospazio a energie relativamente basse esuccessivamente accelerati alle alte ve-locità mediante collisioni con nubi di gasmagnetizzato, con fronti d'urto di esplo-sioni di supernova o altri grandi fenome-ni energetici del mezzo interstellare. Ènoto che nuclei di bassa energia vengonoemessi dalle stelle comuni: secondo ilmodello di Fermi, tali nuclei potrebberoacquisire le energie caratteristiche deiraggi cosmici, per gradi, durante il lungopercorso casuale nello spazio. Trent'an-ni fa, questo modello «ad accelerazionedistribuita» era nettamente favorito per-ché evitava di dover postulare l'esistenzadi oggetti esotici non ancora osservatie capaci di imprimere in un unico even-to velocità relativistiche alle particelle.

Negli ultimi anni il modello di Fermiha perso consensi. Calcoli dettagliatihanno dimostrato che è improbabile che

le energie dei nuclei, durante il loro viag-gio nello spazio interstellare, aumentinoa sufficienza da giustificare le energie deiraggi cosmici osservate. Inoltre, dai tem-pi in cui Fermi propose per la primavolta il modello, i concetti di esotico e diestremamente energetico erano diventa-ti termini ricorrenti in astronomia. Nes-suno poteva prevedere nel 1950 la sco-perta, per esempio, delle pulsar, stelle dineutroni dense e in rapida rotazione concampi magnetici bilioni di volte più in-tensi del campo magnetico terrestre.

Oggi molti ricercatori propendonoper la seconda scuola, secondo la qualei raggi cosmici ricevono tutta l'energia dasorgenti discrete, considerando lo spaziointerstellare solo come mezzo diffusore.Sono stati proposti molti tipi di sorgente,tra i quali le pulsar, le esplosioni di su-pernova e le stelle T Tauri (giovani stellevariabili, che subiscono talvolta rapidiaumenti di brillanza). Alcuni di questioggetti sono sufficientemente numerosida giustificare l'energia totale contenutanella radiazione cosmica. Sembra, tutta-via, che non siano in grado di produrrel'intero spettro energetico.

Molti ricercatori sono perciò dell'av-viso che i raggi cosmici, o almeno i piùenergetici di essi, debbano avere originedall'esterno della nostra Galassia. L'e-missione di sincrotrone da altre galassiemostra che anch'esse contengono raggicosmici. Un numero relativamente pic-colo di galassie presenta nuclei violente-mente attivi, alcuni dei quali espellonoparticelle sotto forma di getti relativisti-ci: si pensa che i quasar siano esempiestremi di tali «galassie attive». Un nu-cleo galattico attivo dovrebbe probabil-mente accelerare particelle a energie aldi là dei limiti consentiti a una stellasingola o binaria della nostra Galassia.D'altro canto, ciò non implica, comehanno suggerito alcuni ricercatori, chetutti i raggi cosmici debbano avere origi-ne all'esterno della Via Lattea.

Si potrebbe pensare che le sorgenti diraggi cosmici si possano identificare

abbastanza facilmente eseguendo alcunesemplici osservazioni con un telescopioper raggi cosmici. Ma le cose non stannocosì. I nuclei dei raggi cosmici arrivanoquasi esattamente con la stessa intensitàda tutte le direzioni - non perché le sor-genti si trovano sparse dappertutto, maperché le traiettorie delle particelle sonorimescolate dal campo magnetico galat-tico. I nuclei, essendo elettricamente ca-richi, non viaggiano in linea retta attra-verso lo spazio interstellare, ma sono in-vece costretti a procedere a spirale lungole linee del campo magnetico, del qualesi sa poco oltre al fatto che è disordinatoe caotico. Quando le particelle arrivanoalla Terra dopo 20 milioni di anni divagabondaggio nella Galassia, le lorotraiettorie sono inevitabilmente casuali.

Per poter individuare una sorgente sidevono studiare componenti della radia-zione, relativamente poco influenzate da

PROTONE

campi magnetici. Gli ovvii candidati so-no le particelle elettricamente neutre. Ineutroni possono essere scartati perchéessi decadrebbero in particelle cariche(protoni ed elettroni) molto prima di po-ter raggiungere la Terra provenendo dauna sorgente di raggi cosmici. Più pro-mettenti appaiono i neutrini: essi po-trebbero benissimo essere prodotti nellereazioni nucleari che avvengono in unasorgente di raggi cosmici, ed è ben notala loro capacità di attraversare ostacolisenza essere assorbiti. Sfortunatamenteproprio la stessa proprietà rende diffici-lissimo rivelarli. Finora non esiste alcuntelescopio capace di rivelare neutrini dialta energia provenienti dalle sorgenticosmiche, nonostante tali strumenti sia-no stati progettati.

Il metodo seguito da noi e da altriricercatori - che ha dato i primi frutti conla conferma del rilevamento di radiazio-ne cosmica proveniente da Cygnus X-3- è di osservare fotoni gamma i quali,come i neutroni e i neutrini, sono elet-tricamente neutri. Un oggetto che acce-lera particelle alle velocità dei raggi co-smici produrrà quasi inevitabilmenteraggi gamma: viceversa, raggi gamma dialta energia vengono emessi soltanto daparticelle relativistiche. I raggi gammacostituiscono quindi un'efficace sondadella sorgente di radiazione cosmica, an-che se essi sono responsabili di menodello 0,1 per cento del flusso totale. Inol-tre interagiscono molto poco con il ra-refatto gas interstellare alla maggior par-te delle lunghezze d'onda e quindi arri-vano nel sistema solare virtualmente nonattenuati.

Tuttavia, i raggi gamma cosmici nonraggiungono la superficie terrestre per-ché, prima di avere attraversato circa unquarantesimo della densa atmosfera, in-teragiscono con i nuclei di gas. Pertantoessi possono essere rivelati direttamentesoltanto con strumenti trasportati al disopra dell'atmosfera. Inoltre, gli stru-menti dei satelliti hanno dimensioni li-mitate e non sono in grado di rivelareflussi inferiori a un fotone al metro qua-drato al mese. Il flusso dei raggi gammadi origine più misteriosa, ossia quelli conenergie maggiori di 10 12 elettronvolt, si

trova al di sotto di tale limite e quindiquesti ultimi non possono essere studiatidirettamente.

ortunatamente questi raggi gammapossono essere studiati indiretta-

mente da terra poiché danno origine nel-l'atmosfera a sciami osservabili di parti-celle secondarie e di fotoni. Uno sciameatmosferico (chiamato anche cascataelettromagnetica) ha inizio quando unraggio gamma cosmico interagisce con ilcampo elettrico di un nucleo di gas nel-l'atmosfera superiore, di solito a un'al-tezza di 20 chilometri. L'energia del rag-gio gamma viene trasformata in materia:solitamente in un elettrone e in un posi-tone, ciascuno dei quali trasporta circala metà dell'energia del raggio gamma.Dopo un breve tratto ciascuna delle dueparticelle altamente cinetiche viene de-viata nel campo elettrico di un nucleo digas e una parte della sua energia viene ir-radiata sotto forma di un fotone gammanel processo chiamato Bremsstrahlung(vocabolo tedesco che significa radiazio-ne di frenamento). I raggi gamma secon-dari producono a loro volta altre coppieelettrone-positone e in tal modo l'ener-gia del raggio gamma primario vienesuddivisa tra un numero di particelle edi fotoni crescente in progressione geo-metrica. La cascata si arresta quando leenergie dei singoli quanti sono così basseda rendere altri processi di assorbimentocompetitivi rispetto alla Bremsstrahlunge alla produzione di coppie.

Se il raggio gamma primario è un fo-tone ultraenergetico (10 14 elettronvolt opiù), lo sciame atmosferico può arrivareal suolo e sarà ormai costituito da miglia-ia di particelle e di raggi gamma distri-buiti su centinaia di metri quadrati. Essopuò essere rivelato da una schiera di con-tatori Geiger (nei quali le particelle ca-riche ionizzano le molecole di gas, pro-vocando il passaggio di corrente tra dueelettrodi) o di contatori a scintillazione(nei quali lampi di luce innescati dalleparticelle in un mezzo opportuno vengo-no registrati da tubi fotomoltiplicatori).Quando la direzione di provenienza delraggio gamma primario è verticale, leparticelle secondarie colpiscono simul-

NUCLEO DI GAS

Si pensa che i raggi gamma provenienti da Cygnus X-3 siano prodotti per collisione di protonidi alta energia emessi dalla stella di neutroni con i nuclei di gas strappati alla stella compagna.Una parte dell'energia cinetica del protone ‘iene trasformata in particelle instabili, i pioni.Ogni pione carico produce un neutrino e un muone. che decade in altri due neutrini. unelettrone o un positone. 11 pione neutro decade in due raggi gamma altamente energetici.

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RAGGIO GAMMA DI ENERGIAULTRAELEVATA (10' eV)

20 CHILOMETRIo NUCLEO o NUCLEO

COPPIA ELETTRONE-POSITONECOPPIA ELETTRONE-POSITONE

RAGGI GAMMASECONDARI

RAGGI GAMMASECONDARI

0 00 0 0 0 o \\

O O O O O O O O O O O O O O O O

Gli sciami atmosferici innescati dai raggi gamma cosmici consentonodi determinare la direzione di provenienza dei raggi gamma. Di solitoun raggio gamma non raggiunge la superficie della Terra, ma intera-gisce con un nucleo atmosferico a un'altezza di circa 20 chilometri.L'energia del raggio gamma è trasformata in un elettrone e un posito-ne. Ogni particella emette un raggio gamma secondario quando vienedeflessa nel campo elettrico di un altro nucleo. Il raggio secondario

genera un'altra coppia elettrone-positone e il processo prosegue finchél'energia del raggio primario si è dissipata. Uno sciame atmosfericoinnescato da un raggio gamma di energia ultraelevata può raggiungereil suolo, dove si possono osservare le particelle con contatori Geigero altri rivelatori. Lo sciame atmosferico di raggi gamma di altissimaenergia è assorbito nell'atmosfera, ma alcune particelle secondariemolto veloci emettono luce Cerenkov visibile, rilevabile a terra.

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11111E____

RIVELATORI DI PARTICELLE

LIVELLO DEL MARE

LUCECERENKOV

RILEVATOREOTTICO

taneamente tutti i rivelatori di una schie-ra. Se il raggio gamma primario entranell'atmosfera con un certo angolo, lasua direzione di provenienza può esserededotta dalle piccole differenze, solita-mente inferiori a un decimilionesimo disecondo, tra i tempi di arrivo delle par-ticelle dello sciame ai differenti rivelato-ri. L'energia del raggio gamma primariopuò essere calcolata i base al numerodi particelle che colpiscono i rivelatori.

Lo sciame atmosferico prodotto da unraggio gamma di energia molto alta (tra10" e 10 14 elettronvolt) non raggiungela superficie della Terra. Però, prima chele particelle dello sciame vengano assor-bite dall'atmosfera, emettono lampi diluce bluastra visibile, che può essere ri-levata da Terra. Questa luce, che è ra-diazione Cerenkov, viene emessa ogni-qualvolta una particella si muove in unmezzo a velocità superiore alla velocitàdella luce in quel mezzo; in pratica vieneemessa da elettroni del mezzo stesso, chevengono perturbati dal passaggio dellaparticella. La radiazione Cerenkov è l'a-nalogo elettromagnetico dell'onda diprua generata da un'imbarcazione a mo-

RAGGIO GAMMA DIALTISSIMA ENERGIA (10 eV)

tore che naviga con velocità superiorealla velocità di propagazione delle on-de nell'acqua. Viene irradiata lungo latraiettoria della particella e arriva a terracome un disco di luce. Trattandosi diluce visibile, viene solo leggermente at-tenuata dall'atmosfera.

Nella notti senza luna, i lampi di luceCerenkov possono essere rilevati con unsistema semplice ed economico costitui-to da uno specchio che focalizza la lucein un fototubo. Esistono dispositivi piùelaborati, tra i quali quello impiegato alFred Lawrence Whipple Observatory inArizona, costituiti da molti specchi di-sposti in un disco che focalizza la luce suuna schiera di fototubi. Dispositivi diquesto tipo non solo rivelano la luce Ce-renkov, ma ne forniscono anche unamappa dell'intensità. Si può quindi de-terminare, con un'approssimazione infe-riore a un quarto di grado d'arco, la di-rezione di provenienza del raggio gam-ma cosmico, che corrisponde all'incircaall'asse del disco della luce Cerenkov.Per confronto, la risoluzione delle attualischiere di rivelatori di particelle è di circaun grado d'arco. Tuttavia, dal momento

che i rivelatori di particelle possono es-sere usati 24 ore al giorno e non solonelle notti buie, essi rimangono il prin-cipale metodo di osservazione dei raggigamma cosmici con energie di 10 15 elet-tronvolt o più.

Entrambi i tipi di dispositivi presenta-no un serio inconveniente, nel senso chenon sono in grado di individuare il par-ticolare sciame atmosferico innescato daun raggio gamma. Il problema è che leparticelle cariche dei raggi cosmici inte-ragenti con i nuclei dell'atmosfera dannoluogo a sciami simili a quelli prodotti dairaggi gamma. Sempre a causa dell'influ-enza del campo magnetico galattico, ilflusso di raggi cosmici carichi è essenzial-mente costante in tutte le direzioni. Unasorgente di raggi gamma cosmici puòperciò manifestarsi come un'anisotropiadirezionale: un eccesso di sciami atmo-sferici provenienti da una direzione par-ticolare. L'anisotropia è necessariamen-te modesta, perché le particelle dei raggicosmici determinano un numero di scia-mi atmosferici circa mille volte maggiorerispetto a quello dei raggi gamma. Que-sto è uno dei motivi per i quali sono stati

necessari anni di minuziosa raccolta dianalisi di dati per identificare una sor-gente di raggi cosmici.

T da storia di Cygnus X-3 ha inizio molto prima della recente scoperta dellasua importanza come sorgente di raggicosmici. Nel 1966, Cygnus X-3 venneinfatti scoperto come sorgente di raggi Xda Riccardo Giacconi, Paul Gorenstein,Herbert Gursky e J.R. Waters, alloraricercatori presso l'American Scienceand Engineering Inc. di Cambridge, nelMassachusetts. Con un telescopio mon-tato a bordo di un razzo (necessario per-ché anche i raggi X vengono assorbitidall'atmosfera), i ricercatori identifica-rono in Cygnus tre sorgenti di raggi X.Nonostante le emissioni da Cygnus X-3fossero considerevolmente più deboli diquelle dalle altre due sorgenti, esse for-nirono un indizio per scoprire la sua na-tura energetica. Le emissioni erano privedi raggi X di bassa energia, che vengonoassorbiti selettivamente dal gas interstel-lare. Tale assenza fece pensare cheCygnus X-3 fosse molto più lontano eche quindi dovesse essere più potentedelle altre due sorgenti.

Quando la NASA lanciò il suo primotelescopio per raggi X a bordo del satel-lite Uhuru nel 1970, si scopri che moltisegnali di raggi X, compresi quelli pro-venienti da Cygnus X-3, variavano neltempo. Il segnale da Cygnus X-3 variavaciclicamente con un periodo di 4,8 ore.L'osservazione fece pensare che l'ogget-to fosse formato da due stelle legate inun'orbita binaria: la caduta periodicadell'intensità delle emissioni poteva es-sere attribuita al passaggio di una stelladavanti all'altra. Per di più, in un periodoin cui la posizione delle sorgenti di rag-gi X poteva essere determinata solo inmodo approssimativo, la periodicità diCygnus X-3 fornì un modo per determi-nare se esso irradiava ad altre lunghezzed'onda. Studi alla frequenza dell'infra-rosso nella regione del Cygnus rivelaro-no in seguito una sorgente puntiforme,caratterizzata dal periodo di 4,8 ore. Lapiù esatta individuazione della posizionefornita dagli studi nell'infrarosso con-sentì a sua volta ai ricercatori di identi-ficare Cygnus X-3 come una sorgenteradio variabile (anche se non periodica).

Infine, il 2 settembre 1972 una casualescoperta mise fine al parziale mistero diCygnus X-3, dimostrando come le sueradioemissioni potessero essere notevol-mente variabili. All'inizio della sera,Philip C. Gregory, ricercatore dell'Al-gonquin Radio Observatory nell'Onta-rio, mentre stava aspettando che il suoprincipale obiettivo di studio salisse al disopra dell'orizzonte, decise di far passa-re il tempo puntando il radiotelescopiosu Cygnus X-3. Pur essendo normal-mente una radiosorgente debole, quellanotte Cygnus X-3 si trasformò in uno deipiù luminosi oggetti del cielo, irradiandoa un'intensità circa mille volte maggiorerispetto a quella normale. Un fenomeno

Il telescopio a luce Cerenkov impiegato dagli autori e collaboratori al Fred Lawrence WhippleObservatory in Arizona è noto come il riflettore da 10 metri. Esso è formato da 248 specchiche focalizzano la luce su una schiera esagonale di 37 fototubi. Durante le notti scure lostrumento è in grado di rilevare facilmente i lampi di luce Cerenkov da sciami atmosferici.

La mappa di luce Cerenkov di uno sciame atmosferico è stata realizzata con il riflettore da 10metri del Whipple Observatory. I cerchi rappresentano i fototubi. I numeri sono proporzionaliall'intensità della luce registrata da ciascun fototubo; i profili in colore sono isolinee di intensità.Dalla mappa si può calcolare l'asse dello sciame atmosferico e quindi la direzione di prove-nienza del raggio cosmico. In questo caso l'asse dello sciame è parallelo all'asse del rivelatoree spostato rispetto al rivelatore verso il basso, a sinistra. (La mappa registra solo una partedello sciame conico, che può avere un diametro di centinaia di metri.) I raggi gamma cosmiciprovenienti da Cygnus X-3 sono individuati come un'eccedenza di sciami da quella direzione.

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L'immagine nell'infrarosso vicino di Cygnus X-3 (crocetta) è stata ottenuta da uno degli autori(Weekes) e da John C. Gearv del Center for Astrophvsics con un dispositivo a scorrimento dicarica montato sul Multiple Mirror Telescope di Motint Hopkins in Arizona. La luce visibiledi Cygnus X-3 è assorbita dalle nubi di polvere interposte nella Galassia, ma l'emissioneinfrarossa fa pensare che Cygnus sia intrinsecamente altrettanto luminoso nella regione visibile.

L'immagine a raggi X di Cygnus X-3 è stata realizzata da Rick F. Harnden, Jr., del Center forAstrophysics dello Harvard College Observatory e dello Smithsonian Astrophysical Observa-tory sulla base dei dati raccolti dall'Osservatorio Einstein orbitante. Cygnus X-3, scopertocome un emittente di raggi X, è la più grande e luminosa sorgente dell'immagine ed è unadelle più luminose sorgenti della Galassia. Le altre sorgenti sono tutte giovani stelle massicce.

equivalente per un astronomo ottico sa-rebbe che una pallida stella diventasseimprovvisamente luminosa come Giove.

Gregory telefonò immediatamente alsuo collega Robert M. Hjellming al Na-tional Radio Astronomy Observatory diGreen Bank, in West Virginia. Hj ell-ming confermò l'osservazione. Quellastessa notte, nel timore che l'intensaemissione potesse cessare prima che ve-nisse adeguatamente documentata, i duericercatori telefonarono al maggior nu-mero possibile di altri astronomi. Nelgiro di pochi giorni la notizia dell'emis-sione di Cygnus X-3 giunse a quasi tuttigli osservatori del mondo. I regolari pro-grammi di osservazione furono interrottie telescopi di ogni tipo - radio, infrarossi,ottici, per raggi X e per raggi gamma -furono puntati su Cygnus. Mai in prece-denza si era avuta una tale concentrazio-ne di sforzi su un solo oggetto.

Il complesso segnale radio si rivelò par-ticolarmente ricco di informazioni. In

primo luogo, il segnale conteneva righedi assorbimento attribuibili a particolarinubi di idrogeno interstellare delle qualisono approssimativamente note le posi-zioni nella Galassia. (L'idrogeno assorberadiazioni alla lunghezza d'onda di 21

centimetri; poiché le nubi di gas inter-stellare si muovono a velocità differenti,ogni nube possiede una riga caratteristi-ca di assorbimento che presenta unospostamento, per effetto Doppler, di di-versa entità rispetto alla riga di 21 cen-timetri.) Le righe di assorbimento fissa-rono un limite inferiore alla distanza diCygnus X-3, il quale deve essere più lon-tano della più distante nube di idrogeno,che si ritiene si trovi a circa 37 000 anniluce, vicino al bordo della Galassia. Dal-la distanza minima e dalla luminosità deiraggi X osservata, si può calcolare la lu-minosità intrinseca per i raggi X diCygnus X-3. Il calcolo conferma che sitratta di una delle più luminose sorgentidella Galassia, con una emissione di po-tenza di almeno 2 x 10 37 erg al secondo.

Inoltre, lo spettro delle radioemissioniosservato durante le intense emissionidel 1972 indicava che Cygnus X-3 stavaemettendo particelle di alta energia. Pa-recchi giorni dopo la scoperta di Gre-gory, le radioemissioni raggiunsero unpicco di intensità per poi cominciare adiminuire in modo caratteristico: le e-missioni alle maggiori lunghezze d'onda,che corrispondono ai fotoni di più bas-sa energia, risultarono essere quelle dimaggior durata. Tale andamento è ca-

ratteristico della radiazione di sincrotro-ne, emessa da elettroni relativistici im-messi in un debole campo magnetico. Amano a mano che gli elettroni si muovo-no a spirale attorno alle linee di campomagnetico, emettono fotoni, inizialmen-te a corte lunghezze d'onda, ma alla fine,dopo che è stata irradiata la maggiorparte della loro energia, soltanto allelunghezze d'onda maggiori. La diminu-zione di intensità delle radioemissioni daCygnus X-3 fu interrotta da nuovi im-pulsi di attività radio, tra i quali un'e-splosione di rilievo circa un mese dopol'intensa emissione iniziale: evidente-mente l'emissione di particelle energeti-che era un processo in corso di sviluppo.

Infatti, dieci anni più tardi, nel 1982,fu registrata un'altra gigantesca emissio-ne. Robert Geldzahler e collaboratoridel Naval Research Laboratory trasseroprofitto dall'evento e dall'impiego delradiointerferometro Very Large Array,appena messo a punto nel New Mexico,per tracciare le prime mappe, che dimo-stravano che Cygnus X-3 non è altro cheuna sorgente puntiforme. La regionedelle radioemissioni era ellittica e all'au-mentare dell'emissione l'ellisse si allun-gava sempre più. Geldzahler e collabo-ratori interpretarono tale allungamentocome una prova che Cygnus X-3 stavaemettendo getti di particelle a velocitàpari a circa un terzo della velocità dellaluce. I getti radio provengono dai nucleidi molte galassie attive, ma nella nostragalassia è stata osservata solo un'altrasorgente in grado di emetterne: lo stranooggetto chiamato SS 433.

na sorgente di particelle di alta ener-gia dovrebbe emettere raggi gam-

ma; non sorprende quindi che raggigamma provenienti da Cygnus X-3 sia-no stati rilevati per la prima volta duran-te l'intensa radioemissione del 1972. Im-piegando uno strumento a bordo di unpallone, A. M. Galper e collaboratoridell'Istituto di ingegneria fisica di Moscaosservarono un intenso flusso di raggigamma di bassa energia proveniente dal-la direzione di Cygnus X-3. L'energiadei raggi gamma era di circa 4 x 107elettronvolt. In seguito, nel corso dellostesso anno, il satellite SAS-2 della NASAregistrò radiazioni gamma con un'ener-gia di 10 8 elettronvolt. Analizzando ilsegnale, Richard C. Lamb, Carl E.Fichtel, Robert C. Hartmann, DonaldA. Kniffen e David J. Thompson delGoddard Space Flight Center dellaNASA scoprirono una periodicità di 4,8ore che identificò chiaramente il segnalecome proveniente da Cygnus X-3.

Ciononostante, non era ancora evi-dente che Cygnus X-3 avesse a che ve-dere con il problema dell'origine dei rag-gi cosmici. I raggi gamma con energie di108 elettronvolt sono all'estremità infe-riore dello spettro dei raggi cosmici,quindi potrebbero essere prodotti daprocessi non associati a particelle di altaenergia. Una sorgente di raggi cosmici

dovrebbe emettere raggi gamma di al-meno 10 12 elettronvolt per poter essereconsiderata significativa.

I primi raggi gamma di questo tipo,provenienti da Cygnus X-3, furono os-servati da Arnold A. Stepanian e col-laboratori dell'Osservatorio Astrofisicodella Crimea. Fin dal 1970 essi avevanocercato sorgenti galattiche di raggi gam-ma di altissima energia mediante rivela-zione di luce Cerenkov da sciami atmo-sferici; la loro attrezzatura comprende-va quattro specchi riflettori residuatidell'esercito, con fototubi posti nei fuo-chi. Avuta notizia dell'emissione di Cy-gnus X-3 del settembre 1972, i ricerca-tori della Crimea puntarono i loro spec-chi verso Cygnus. In 11 notti-di osserva-zioni rilevarono un intenso flusso di rag-gi gamma da 10 12 elettronvolt. Il segnalepresentava la caratteristica periodicità di4,8 ore, benché il picco fosse più nettodi picchi ad altre lunghezze d'onda e ap-parisse anche a una diversa fase del ciclo.

A questo punto Cygnus X-3 avrebbedovuto attirare l'attenzione dei teoricidei raggi cosmici, ma non fu così. I risul-tati del gruppo della Crimea furono qua-si del tutto ignorati, forse perché nonfurono pubblicati sulla rivista «Nature»nella quale venne riportata la maggiorparte degli articoli sul fenomeno. Puòavere contribuito a tale negligenza ancheil fatto che i modelli teorici di sorgentidi raggi X più noti non considerasserol'emissione di raggi gamma di altissimaenergia. In difesa dei teorici, si deve peròriconoscere che in passato le osservazio-ni di sciami atmosferici avevano provo-cato qualche falso allarme.

Ciononostante i ricercatori della Cri-mea continuarono le osservazioni. Inogni stagione di osservazione tra il 1972e il 1979, essi misurarono il segnale pro-veniente da Cygnus X-3; l'ampiezza di-minuiva e la forma della curva di lumi-nosità (la variazione delle emissioni neltempo) cambiava, ma il segnale era sem-pre là. Infine, nel 1980, i risultati dellaCrimea vennero confermati in modo in-dipendente. Sean Danaher, David Fe-gan e Neil A. Porter dell'University Col-lege di Dublino e uno di noi (Weekes)al Whipple Observatory, rivelarono leemissioni da Cygnus X-3, con un piccolotelescopio Cerenkov. Nei due anni se-guenti, le osservazioni di altri due gruppistabilirono al di là di ogni dubbio cheCygnus X-3 è una sorgente di raggi gam-ma da 10 12 elettronvolt e quindi di par-ticelle di alta energia.

T dati raccolti da quel momento daI- schiere di rivelatori di particelle han-no dimostrato che Cygnus X-3 emetteanche raggi gamma di energia ultraele-vata. Tra il 1976 e il 1980, i ricercatoridell'Università di Kiel nella GermaniaOccidentale hanno mantenuto una diqueste schiere in funzionamento conti-nuo. Il loro principale obiettivo non erala ricerca di una sorgente di raggi cosmi-ci, ma lo studio delle interazioni ad alta

energia negli sciami atmosferici generatidai raggi cosmici nell'intervallo di ener-gia tra 10 15 e 10 16 elettronvolt. Per poterdeterminare la distribuzione delle parti-celle secondarie, i ricercatori dovevanovalutare la direzione di provenienza deiraggi cosmici con una precisione inferio-re a un grado d'arco. Di conseguenza illoro programma fu anche molto adattoall'identificazione di anisotropie dire-zionali nel flusso dei raggi cosmici.

Nel 1983 Wilhelm Stamm e ManfredSamorski intrapresero il laborioso compi-to di cercare, con l'esame di cinque anni didati, le prove di emissione di raggi gammada Cygnus X-3. Essi trovarono un'evi-dente eccedenza di sciami atmosferici ori-ginati nella corretta direzione generale,ma il margine di errore nella determina-zione delle direzioni di provenienza eratroppo grande per consentire di affermarein modo definitivo che Cygnus X-3 fossela sorgente del segnale. La prova conclusi-va sta nei tempi di arrivo degli sciami.Quando Stamm e Samorski analizzarono itempi per gli sciami originati nella dire-zione di Cygnus X-3, comparve la bennota periodicità di 4,8 ore.

Subito dopo essere stati pubblicati,questi risultati furono confermati da ungruppo dell'Università di Leeds. La riso-luzione angolare della schiera di rivela-tori tenuta in funzione dal 1978 al 1982da quei ricercatori non era così buonacome quella dell'esperimento di Kiel;tuttavia era sufficiente per rivelare unintenso segnale proveniente da Cy-gnus X-3. Inoltre il gruppo di Leedsscopri che Cygnus X-3 non presentaalcuna emissione rivelabile a energiesuperiori a 10 16 elettronvolt.

L'oggetto è comunque straordinaria-mente luminoso a energie ultraelevate.Il suo flusso osservato nell'intervalloenergetico tra 10 15 e 10 16 elettronvolt èdi 6 x 1036 erg al secondo, cioè dell'or-dine di mille volte maggiore dell'emis-sione del Sole a tutte le lunghezze d'on-da. Inoltre, i raggi gamma di energieprossime a 10 15 elettronvolt vengonoassorbiti selettivamente nello spazio in-terstellare; si ritiene che essi venganoannichiliti in collisioni con i fotoni dimicroonde di bassa energia che perva-dono l'universo in seguito al big bang.Quindi il flusso effettivamente emessoda Cygnus X-3 deve essere ancora mag-giore. Supponendo che Cygnus X-3 sitrovi a una distanza minima di 37 000anni luce, la sua emissione sotto forma diraggi gamma di energia ultraelevatadeve essere circa tre volte maggiore delflusso osservato, ovvero circa 2 x 1037erg al secondo.

Inoltre, i raggi gamma sono solamenteuna piccola parte del flusso totale dellaradiazione cosmica proveniente da Cy-gnus X-3. I vari modelli teorici concor-dano sull'ipotesi che i raggi gamma sonoprobabilmente emessi nelle interazioniad alta energia di nuclei carichi, soprat-tutto protoni. In tali interazioni sola-mente circa il 3 per cento dell'energialiberata dovrebbe apparire sotto forma diraggi gamma; la parte restante dovrebbeessere portata via da elettroni, posito-ni e neutrini. Se Cygnus X-3 irradia2 x 10 37 erg al secondo sotto forma diraggi gamma ultraenergetici, deve emet-tere un'energia almeno 30 volte superio-re, cioè 6 x 10 38 erg al secondo, sot-to forma di particelle cosmiche cariche.

28 29

RAGGI GAMMA DI ALTA ENERGIA (10' eV)

FONDO MEDIO

t

FONDO MEDIO

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24SETTEMBRE

OTTOBRE

L'intensa emissione radio nel settembre 1972 dimostrò che Cygnus X-3 era in grado di acce-lerare particelle ad alte energie. L'emissione fu scoperta poco prima che raggiungesse ilmassimo, punto in cui il flusso radio da Cygnus X-3 era un migliaio di volte più intenso delsolito. Nel grafico è tracciata l'emissione a 8085 megahertz. A frequenze (e quindi a energie)inferiori la durata era maggiore, aspetto tipico della radiazione di sincrotrone da elettronirelativistici. I picchi fanno ritenere che Cygnus X-3 stesse emettendo nuovi notti di particelle.

2018

16

14 -

12

10

8

6

4 -

2

o

30 31

Una simile stima è prudente: basandosisui raggi gamma che si vedono arrivaresulla Terra, essa non considera la possi-bilità che Cygnus X-3 emetta raggi co-smici in tutte le direzioni. Dal momentoche l'emissione galattica nella radiazionecosmica è solo tra 1040 e 10 41 erg al se-condo, un piccolo numero (forse soloqualche decina) di sorgenti simili aCygnus X-3 spiegherebbe la maggiorparte del flusso di raggi cosmici che èstato osservato. Resterebbero da spiega-re solo i raggi cosmici con energie supe-riori all'apparente limite di 10 16 elet-tronvolt di Cygnus X-3. Essi possonobenissimo provenire da altre galassie.

Che cosa rende Cygnus X-3 un cosìpotente acceleratore di particelle?

A causa delle sue emissioni periodiche,la maggior parte dei ricercatori è dell'av-viso che debba trattarsi di un sistema distelle binario. Stelle binarie che emetto-no raggi X non sono rare nella Galassia.Si pensa che siano formate da una densastella collassata, che orbita attorno a unanormale stella massiccia. Se l'orbita èabbastanza stretta, l'intenso campo gra-vitazionale della stella densa può strap-pare materia dalla superficie della suacompagna. Mentre la materia gassosaprecipita verso la stella densa, viene ac-celerata a velocità elevatissime: le colli-sioni tra le molecole riscaldano il gas adecine di milioni di gradi centigradi euna parte dell'energia termica viene ir-radiata sotto forma di raggi X.

Nel caso di Cygnus X-3, l'energia ne-cessaria per accelerare particelle alle ve-locità caratteristiche dei raggi cosmicideve avere origine anche dalla stelladensa, che probabilmente è una stella dineutroni. Una stella di neutroni è piùmassiccia del Sole, ma ha un diametrodi soli 10 chilometri circa; è il nucleocollassato di una stella massiccia il cuiguscio esterno è stato soffiato via inun'esplosione di supernova. Il collasso

comprime il campo magnetico della stel-la, aumentandone l'intensità di oltre unbilione di volte. Aumenta anche la velo-cità angolare di rotazione della stella,perché il suo momento angolare si con-serva durante il collasso. Nei millennisuccessivi, la rotazione della stella puògradualmente rallentare.

In un modello di Cygnus X-3 propo-sto da Thomas Vestrand dell'Universitàdel New Hampshire e da David Eichlerdell'Università del Maryland a CollegePark, la stella di neutroni sta ancora ruo-tando rapidamente: si tratta di una pul-sar. L'energia impartita ai raggi cosmiciha origine dall'energia cinetica rotazio-nale persa dalla pulsar nella fase di ral-lentamento. Le pulsar emettono radia-zione di sincrotrone e devono quindi es-sere in grado di accelerare almeno glielettroni a energie relativistiche. Pur es-sendo oscuri i particolari del processo, ilcampo magnetico rotante dovrebbe in-durre un campo elettrico che potrebbepoi accelerare le particelle cariche - siaprotoni, sia elettroni - provenienti dallasuperficie della pulsar.

Secondo il modello di Vestrand ed Ei-chler, la pulsar di Cygnus X-3 emetteprotoni di alta energia in tutte le dire-zioni. La maggior parte dei protoni sfug-ge nello spazio, ma alcuni entrano nellostrato gassoso esterno della stella com-pagna. Quando un protone colpisce unnucleo di gas, produce tre tipi di pioni,uno dei quali decade in due raggi gam-ma. I raggi gamma viaggiano vicini allatraiettoria originaria del protone, e ilmodello prevede che essi vengano inca-nalati verso la Terra esattamente in duepunti dell'orbita della pulsar attorno allastella compagna. Ciò spiegherebbe lacurva di luminosità a due picchi registra-ta in alcune osservazioni di Cygnus X-3a energie di 10 12 elettronvolt. Inoltre A.Michael Hillas di Leeds ha dimostratoche il modello a pulsar può spiegare l'os-servata intensità dei raggi gamma emessi

da Cygnus X-3 a tutte le energie da 1012

a 10" elettronvolt, purché la pulsar ac-celeri i protoni a un'energia di 10 17 elet-tronvolt, 100 volte maggiore di quelloche viene comunemente considerato illimite superiore della capacità di accele-razione di una pulsar. Il modello di Ve-strand e Eichler richiede che le pulsarsiano molto più efficienti nell'accelerareparticelle di quanto generalmente si ri-tiene che siano. Il modello suppone inol-tre che la pulsar di Cygnus X-3 ruoti inmodo estremamente rapido, tra 100 e1000 giri al secondo. Finora sono stateosservate solo due pulsar con una velo-cità di rotazione compresa in questo in-tervallo. La scoperta in Cygnus X-3 diuna pulsar veloce offrirebbe ovviamenteun forte sostegno al modello a pulsar.

Un secondo modello, proposto da Ga-nesar Chanmugam della Louisiana

State University e da Kenneth Brecherdella Boston University, non richiedeche la stella di neutroni sia in rapidarotazione. In questa ipotesi, l'energiatrasformata in raggi cosmici deriverebbedal processo che è anche responsabiledell'emissione dei raggi X: l'aggregazio-ne da parte della stella di neutroni dimateria proveniente dalla sua compagnamassiccia. Mentre il disco di accresci-mento ruota attorno alla stella di neu-troni, il campo magnetico della stella in-duce un campo elettrico nel piano deldisco. I protoni vengono accelerati ra-dialmente verso l'esterno, lungo le lineedel campo elettrico, e alcuni di essi pe-netrano nella corrente di aggregazione,dove collidono i nuclei di gas, generandoraggi gamma. Anche questo modello hai suoi limiti. Per esempio, il campo elet-trico deve essere intenso e non è certoche un campo siffatto possa essere man-tenuto nel disco gassoso.

Il modello di Chanmugam-Brecherspiegherebbe perché sembra siano staterilevate emissioni di raggi gamma di altaenergia provenienti da altre due sorgentibinarie di raggi X (Vela X-1 ed Hercu-les X-1) che non contengono pulsar ve-loci. Una scelta sicura tra i due modellidi produzione di raggi cosmici - e unadefinitiva comprensione di Cygnus X-3 -forse non è ancora imminente. Si deveancora imparare molto e qualche cosasarà indubbiamente sorprendente.

Per esempio, la radiazione cosmicaproveniente da Cygnus X-3 può inse-gnare ai ricercatori qualche cosa di nuo-vo sulla fisica delle particelle. Anche sel'eccedenza di sciami atmosferici prove-nienti dalla direzione di Cygnus X-3 èattribuita alla radiazione gamma di altaenergia, nessuno ha mai identificato concertezza i raggi gamma come causa diquesta eccedenza; la conclusione si rag-giunge solo eliminando neutroni e neu-trini, i soli altri candidati conosciuti. Masono tutti noti i candidati in gioco? Èveramente conosciuta la fisica delle in-terazioni a 10 15 elettronvolt, un'energiaben al di là della portata degli accelera-

tori costruiti dall'uomo? Oppure il flussodi radiazione cosmica da Cygnus X-3potrebbe comprendere un nuovo tipo diparticella?

Recenti resoconti di due esperimentisul decadimento del protone, uno nellaminiera di Soudan nel Minnesota e unonel tunnel del Monte Bianco, hanno sug-gerito qualche cosa di nuovo. Entrambigli esperimenti sono stati progettati perrivelare i prodotti di decadimento delprotone che possono comprendere muo-ni (particelle cariche negativamente conbreve vita). Quindi l'apparecchiatura re-gistra anche la direzione di provenienzadei muoni prodotti negli sciami atmosfe-rici di raggi cosmici. Da questi dati sipossono ricavare le direzioni di prove-nienza anche dei raggi cosmici.

Dopo avere analizzato l'equivalentedi un anno di dati il gruppo di Soudanha riferito di un'eccedenza di raggi co-smici nella direzione di Cygnus X-3. Ilsegnale ha la caratteristica periodicità di4,8 ore. Un'analoga periodicità emergedai dati dell'esperimento del MonteBianco. Tuttavia, è previsto che gli scia-mi atmosferici innescati da raggi gammacontengano pochissimi muoni e non pro-ducano in questi rivelatori un segnalemisurabile. I risultati fanno perciò pen-sare che gli sciami atmosferici siano pro-dotti da qualche particella sconosciutaemessa da Cygnus X-3. In alternativa, epiù tradizionalmente, le interazioni nel-l'atmosfera di raggi gamma di alta ener-gia forse non sono capite; può darsi chedopo tutto possano produrre una grandequantità di muoni.

Tali incertezze non dovrebbero oscu-rare il nostro argomento centrale:

per la prima volta è stata identificata unasignificativa sorgente di raggi cosmici al-tamente energetici. Dopo decenni diipotesi piuttosto arbitrarie, gli astrofisicidispongono oggi di un prototipo di ac-celeratore di raggi cosmici, anche se noncomprendono del tutto come funziona.Può darsi che negli anni a venire telesco-pi per raggi gamma più sensibili rivelinonuove sorgenti di raggi cosmici che sonosemplicemente versioni più deboli diCygnus X-3. La fine di una lunga ricercasembra ormai prossima.

La periodicità delle emissioni di raggi gammada Cygnus X-3 è in accordo con la periodicitàdi 4,8 ore osservata alle lunghezze d'onda deiraggi X. La periodicità è attribuita all'orbitadella stella binaria. Le curve di flusso dei raggigamma sono medie ricavate sovrapponendole emissioni in intervalli successivi di 4,8 ore.Se il segnale avesse presentato variazioni ca-suali, la sovrapposizione avrebbe dato unacurva piatta. La presenza di picchi nella so-vrapposizione implica che essi ricorrono nelsegnale con la stessa ciclicità; quindi il segnaleè periodico. La differenza di fase tra l'emis-sione a 10 8 elettronvolt e quella a energie su-periori suggerisce che i segnali provengano dadifferenti regioni del sistema di stelle binario.

RAGGI X (2 x 10 3 eV)

RAGGI GAMMA DI ALTISSIMA ENERGIA (10'' eV)

RAGGI GAMMA DI ENERGIA ULTRAELEVATA (10'' eV)

0,1

0,2 0,3

0,4

05

0,6 0,7

0,8 0,9

FASE