L’ammasso stellare NGC 3603, osservato in luce gamma (blu) e infrarossa (rosso), rivela stelle circondate da un complesso di gas, evidenziato da contorni bianchi (regione HII). Crediti: Peron et al., ApJL, 2024.
Ammassi stellari e radiazione gamma: una nuova scoperta
Gli ammassi di stelle giovani e massicce sono capaci di accelerare particelle cosmiche e generare radiazione ad alta energia. Questa affermazione è stata confermata da uno studio condotto da ricercatori dell’INAF di Arcetri, pubblicato recentemente su The Astrophysical Journal Letters. Lo studio evidenzia una forte correlazione tra le sorgenti gamma osservate dallo strumento LAT a bordo del telescopio spaziale Fermi della NASA e le regioni di idrogeno ionizzato da giovani stelle massicce.
La radiazione gamma e la sua origine
La natura della radiazione gamma
La radiazione gamma rappresenta la banda più energetica dello spettro elettromagnetico, superando persino i raggi X. Questa luce gamma viene prodotta dall’interazione nucleare di particelle altamente energetiche con il mezzo interstellare. Dopo essere state accelerate, queste particelle viaggiano attraverso la nostra galassia e raggiungono la Terra, dove sono conosciute come raggi cosmici. La loro origine è uno dei più grandi misteri dell’astrofisica delle alte energie. Studiare le sorgenti di raggi gamma è fondamentale per comprendere l’origine dei raggi cosmici.
Gli ammassi stellari e le regioni HII
Nelle prime fasi della loro vita, gli ammassi stellari sono avvolti in un “nido” di gas e polvere interstellare. Questo gas denso rende le stelle non osservabili nella banda visibile dello spettro elettromagnetico. Tuttavia, la luce delle stelle viene assorbita dal gas e dalla polvere, rendendosi visibile come una bolla di luce infrarossa, nota come regione HII. Queste regioni fungono da tracciatori di stelle giovani e massicce, spesso invisibili altrimenti.
La correlazione tra ammassi stellari e raggi gamma
Le difficoltà nella rilevazione
Sebbene la correlazione tra ammassi stellari e raggi cosmici non sia una novità, una chiara rilevazione dell’emissione di raggi gamma da queste sorgenti è stata finora limitata. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che solo una piccola frazione degli ammassi stellari galattici è rilevabile, o perché molti ammassi che emettono raggi gamma non sono riconosciuti come tali e sono classificati come sorgenti non identificate.
Il nuovo studio e le sue implicazioni
Il nuovo studio ha esaminato questo scenario, confrontando i cataloghi di ammassi stellari e regioni HII ottenuti dalle osservazioni dei satelliti Gaia e WISE con i cataloghi di raggi gamma derivati dai dati raccolti da Fermi-LAT, dai telescopi Cherenkov HESS e dall’esperimento cinese LHAASO. La correlazione tra questi cataloghi ha rivelato una forte connessione tra le sorgenti non identificate di Fermi-LAT e le regioni HII. La giovane età degli ammassi esclude la possibilità che la radiazione gamma sia dovuta a resti di supernove, che si formano dall’esplosione di stelle vecchie almeno tre milioni di anni. L’unica altra fonte di energia è costituita dai venti delle stelle massicce, che producono shock capaci di accelerare particelle e generare emissioni di raggi gamma fino a energie dell’ordine dei gigaelettronvolt (GeV).
Le osservazioni e le conclusioni dello studio
Le parole degli autori
Giada Peron, prima autrice dello studio, spiega che Fermi-LAT ha individuato migliaia di sorgenti gamma, tra cui resti di supernove e stelle di neutroni, note sorgenti di raggi cosmici. Tuttavia, queste non spiegano tutte le proprietà dei raggi cosmici. La maggior parte delle sorgenti individuate da Fermi-LAT non è associata a sorgenti note, quindi i ricercatori hanno cercato di andare oltre le sorgenti “classiche” di raggi gamma, concentrandosi sugli ammassi stellari. Il risultato è stato positivo: 138 sorgenti Fermi (circa il sette per cento) sono potenzialmente connesse a giovani ammassi stellari in regioni HII.
L’importanza degli ammassi stellari
Giovanni Morlino, coautore dello studio, aggiunge che dal punto di vista teorico ci si aspettava che gli ammassi stellari fossero in grado di accelerare particelle, grazie ai forti venti che producono onde d’urto. Tuttavia, dal punto di vista osservativo, si conoscono ancora pochi ammassi brillanti in banda gamma, nonostante siano numerosi nella nostra galassia. La maggior parte degli studi si è concentrata sugli ammassi visibili nell’ottico, mentre gli ammassi giovanissimi sono nascosti dentro le nubi HII. La novità dello studio è stata cercare le controparti delle sorgenti gamma nella popolazione di regioni HII piuttosto che nelle stelle.
L’interesse crescente per gli ammassi stellari
L’interesse per gli ammassi stellari che emettono raggi gamma è aumentato enormemente negli ultimi anni, dopo che sono stati proposti come importanti acceleratori dei raggi cosmici galattici, secondi solo ai resti di supernova. I resti di supernova sono considerati i principali acceleratori di raggi cosmici galattici, ma non sembrano in grado di spiegare tutte le proprietà osservate dei raggi cosmici, sia dal punto di vista della distribuzione energetica che della composizione chimica. Tra i raggi cosmici sono stati rilevati elementi non prodotti solitamente nelle supernove, ma abbondanti nei venti stellari.
Le prospettive future
Alcuni studi pilota indicano che la frazione di raggi cosmici prodotti da venti stellari si aggira tra l’uno e il sedici per cento, una frazione piccola ma sufficiente a compensare le anomalie di composizione chimica osservate. Tuttavia, queste ipotesi necessitano di conferme dalle osservazioni. Le osservazioni gamma rappresentano una prova diretta di queste teorie. Lo studio condotto dai ricercatori dell’INAF di Arcetri ha aperto nuove prospettive nella comprensione dell’origine dei raggi cosmici, evidenziando il ruolo cruciale degli ammassi stellari giovani e massicci come acceleratori di particelle. Le future osservazioni e ricerche potranno fornire ulteriori conferme e approfondimenti su questo affascinante fenomeno.
