La prima volta di neutrini e fotoni dalla stessa sorgente cosmica, importante risultato di astronomia multi-messaggero

Tutto comincia con l’osservazione di un neutrino astrofisico dell’energia di  0.29 PeV (PetaelectronVolt, ossia 10^15 eV) rivelato il 22 settembre 2017 dall'osservatorio antartico IceCube con precisa determinazione della direzione di provenienza, che è un’informazione preziosissima per indirizzare gli altri osservatori (tra cui MAGIC) ma raramente ottenuta. La combinazione delle osservazioni IceCube con quelle nei raggi gamma del satellite Fermi e quelle nei gamma a più elevata energia di MAGIC, effettuate subito successivamente all’allerta mondiale lanciata da IceCube, ha permesso di stabilire con incoraggiante livello di confidenza statistica che ad emettere quel neutrino sia stato il blazar TXS 0506+056, all’epoca in fase attiva, come dimostrato dalle osservazioni di Fermi e MAGIC. Si tratta (dimenticando per un attimo la Terra, per la gioia dei colleghi GEO :) ) della terza sorgente di neutrini accertata con misure dirette, dopo il Sole e la supernova SN1987A nella Grande Nube di Magellano. Ed è la prima sorgente di classe extra-galattica, nonché il primo blazar emettitore di neutrini (ma la lista si allungherà verosimilmente presto); è la prima sorgente di neutrini nota al di fuori dell’Universo Locale (la Grande Nube di Magellano è una vicinissima satellite della nostra galassia, mentre TXS 0506+056 si trova a ~5 miliardi di anni-luce da noi) e, quel che più conta, la prima in grado di produrre neutrini con energia dell’ordine del PeV (i neutrini solari o della SN1987A hanno energie decisamente inferiori). La produzione di neutrini di tale energia suggerisce che anche i raggi cosmici di altissima energia, loro progenitori, siano prodotti proprio nei blazar. L'identità delle sorgenti dei raggi cosmici, che peraltro sono un fenomeno noto da oltre 100 anni, era finora rimasta indeterminata, specialmente per la parte più energetica dello spettro (che si estende fino ad energie  che rasentano il milione di PeV); da tempo si supponeva un'origine extra-galattica (mentre i cosmici di bassa energia avrebbero origine entro la Via Lattea, verosimilmente dal nucleo galattico e/o da alcune supernove) ma senza una indicazione forte su quali fossero esattamente le sorgenti astrofisiche in grado di produrli. I blazar erano in cima alla lista dei sospetti, e a quanto pare sono anche i “colpevoli” (o se si vuole, i primi colpevoli a finire alla sbarra). Un notevole passo avanti per uno dei più stuzzicanti (e longevi) enigmi dell’astrofisica particellare … ma siamo solo all’inizio!

 

L’osservazione è stata la "prima storica” dell'astronomia multi-messaggero con combinazione simultanea neutrini-fotoni, mentre la combinazione di fotoni e onde gravitazionali era già stata ottenuta, con gran frutto, per la “kilonova" (coalescenza di due stelle di neutroni)  del 17 Agosto 2017, annunciata in ottobre. Questo aspetto innovativo, e assieme la portata del risultato scientifico, hanno giustificato ben due pubblicazioni su Science (una però riguarda solo i neutrini ed è a firma della sola collaborazione IceCube, mentre l’altra, quella prettamente multi-messaggero, coinvolge circa 15 collaborazioni, e oltre 20 osservatori, incluso MAGIC) e altre 6 (ma il numero cresce di giorno in giorno) di vari gruppi o collaborazioni su riviste di settore. Tra queste un “The Astrophysical Journal Letters” della sola collaborazione MAGIC, un po’ troppo specialistico per essere sintetizzato qui e ora, ma che in sostanza conferma che il blazar TXS 0506+056 è in grado di produrre un flusso di neutrini di alta energia in accordo con l’osservazione IceCube senza mettere in crisi i modelli che ne descrivono i processi di emissione. 

 

Incidentalmente, questo risultato di insolito rilievo corona le celebrazioni per i 15 anni di attività di MAGIC chiuse pochi giorni prima a La Palma. MAGIC è il frutto della collaborazione di circa 160 scienziati di 9 paesi europei, più Brasile India e Giappone, con sostanziali contributi da Italia, Germania e Spagna. La nutrita compagine italiana comprende INAF, INFN e le Università di Siena, Padova e Udine. L’Università di Siena partecipa sin dalla fondazione con il nostro gruppo nel DSFTA, in una unità congiunta con INFN-Pisa.  Attualmente oltre a Riccardo Paoletti (capogruppo) e a Giacomo Bonnoli, ne fanno parte gli studenti della Scuola di Dottorato in Fisica Sperimentale Lorenzo Bellizzi (che ha cominciato da pochi mesi) e Andrea Rugliancich (che invero ha appena concluso). Nell'occasione è doveroso rimarcare il prezioso contributo alle attività del gruppo da parte del personale tecnico (e in particolare di Roberto Cecchi, Alessandro Marchini e Leonardo Stiaccini) e dei nostri collaboratori di INFN-Pisa  Massimiliano Bitossi, Roberto Carosi, Paolo da Vela e Pier Giorgio Prada Moroni; come pure quello dei numerosi colleghi (docenti ora in quiescenza o impegnati in altro, dottorandi, post-doc) che nel tempo si sono avvicendati nel gruppo MAGIC e con i quali va sicuramente condivisa la gioia così come lo è stato l’impegno.