Superbolle di Fermi: un mistero ancora irrisolto

Lontano dalle luci della città, alzando gli occhi al cielo in una notte limpida, è possibile scorgere la casa del Sole e di centinaia di miliardi di altre stelle: la Via Lattea. A prima vista la nostra galassia può sembrare proprio come ce la si immagini, una grossa e piatta spirale costellata di astri, ma recenti osservazioni suggeriscono l’esistenza, sopra e sotto il piano galattico, di enormi strutture luminose note come superbolle di Fermi, che potrebbero aiutarci a comprendere meglio la struttura delle galassie e svelare misteri sui buchi neri posti al centro di esse.

L’inaspettata scoperta

Nella prima metà degli anni 2000, Douglas Finkbeiner (attualmente docente di astronomia e fisica ad Harvard) sondava il cosmo in cerca di indizi sui primissimi istanti dopo il Big Bang. Tuttavia, per poter osservare buona parte dell’Universo, siamo obbligati a passare dalla Via Lattea, con la conseguente ed inevitabile contaminazione delle osservazioni causata dalla presenza di polvere, gas, onde e particelle. Il problema nacque quando venne riscontrata una sorta di anomalia che cresceva più ci si addentrava all’interno della galassia: un’impressionante quantità di microonde (probabilmente emesse dal moto di elettroni ad elevata energia) non conciliabile col modello adottato per descrivere i disturbi intragalattici. Le ipotesi poste in essere dagli scienziati circa queste inspiegabili osservazioni furono innumerevoli e una delle più avvincenti riguardò la presenza di materia oscura (un tipo di materia che presenta solo interazioni di tipo gravitazionale), le cui particelle, decadendo, genererebbero elettroni e positroni a loro volta in grado di emettere radiazione elettromagnetica. Secondo gli esperti di radiazione cosmica, queste particelle cariche, durante il loro moto, avrebbero emesso microonde (in accordo con l’anomalia rilevata di Finkbeiner) e, per effetti di decelerazione, avrebbero perso energia sotto forma di raggi gamma. L’occasione per confermare o confutare le diverse teorie arrivò nel 2008, con il lancio del Fermi Gamma-ray Large Area Space Telescope (come intuibile dal nome, il telescopio fiore all’occhiello della NASA in grado di rilevare la radiazione gamma che permea lo spazio) e un anno più tardi i risultati furono pubblicati dall’agenzia americana. Dopo lunghi tempi di rielaborazione e pulizia dei dati, l’incredibile scoperta: le immagini fornite dal Fermi LAT evidenziarono la presenza di due ingombranti zone con un eccesso di radiazione gamma, che si estendevano per 25.000 anni luce al di sopra e al di sotto del piano galattico.

Le superbolle di Fermi: natura e origine del fenomeno

La scoperta, pubblicata nel 2010 su Astrophysical Journal dal team di Finkbeiner, destò non poco scalpore fra i fisici. Le superbolle di Fermi (in onore del celebre fisico da cui trae nome il telescopio spaziale), sono di fatto due grossi lobi di raggi gamma perfettamente simmetrici per caratteristiche fisiche e dimensioni, generati al centro della Via Lattea, che si estendono per un totale di 50.000 anni luce. Le dimensioni sono considerevoli se paragonate a quelle della galassia, che misura un diametro di circa 100.000 anni luce. Scartata dunque l’ipotesi che fosse la collisione di particelle di materia oscura a dar luogo alla foschia di microonde osservata anni prima, e che invece pare essere strettamente legata a queste gigantesche bolle, la questione si postò sull’origine del fenomeno. Ad oggi non è ancora chiaro cosa abbia generato le superbolle di Fermi, ma i dati mostrano bordi ben definiti, emissioni energeticamente più rilevanti rispetto alla nebbia di raggi gamma osservata altrove nella Via Lattea e l’assenza di una variazione netta dello spettro di emissione all’interno di queste. Data la forma, si suppone che un forte ed improvviso rilascio d’energia (la cui fonte però è ancora sconosciuta), possa aver generato questo fenomeno.

L’ipotesi legata al buco nero

Fra le più accreditate, vi è l’ipotesi che le bolle si siano formate a causa di un’intensa attività attribuibile ai buchi neri, in particolare al buco nero supermassivo al centro della galassia, Sagittarius A*: sebbene fra i dati registrati finora non siano mai stati riscontrati picchi di attività di questo genere, in passato (circa 1 milione di anni fa) il buco nero potrebbe aver “inghiottito” un’ingente quantità di materia e nell’accrescimento avrebbe generato un intenso getto di radiazione che interagì con le nubi di gas circostanti, formando le superbolle.

L’ipotesi legata alle supernovae

Un’ altra supposizione al vaglio dei fisici risiede nell’energia sprigionata dalle supernovae (ad esempio Betelgeuse), l’atto ultimo della morte di una stella di grandi dimensioni. Il centro della Via Lattea, ricco di polvere e gas ad elevata temperatura, è stato in passato sede di formazione di numerosi ammassi stellari. Fra questi, potrebbero essercene alcuni ricchi di stelle molto massicce che in breve tempo (massimo una decina di milioni di anni) avrebbero dato luogo ad una catena di supernovae sufficientemente potenti da generare le bolle di Fermi.

Recenti sviluppi

Nell’agosto 2017 un team di scienziati russi e cinesi pubblicò su Physical Review uno studio relativo ai raggi cosmici (prevalentemente protoni e nuclei di elio ad elevata energia) prodotti dalle supernovae: in particolare, si osservò che l’intensità di questi raggi risulta essere fino a due ordini di grandezza maggiore rispetto a quella prodotta dalle esplosioni, e il motivo, potrebbe celarsi dietro la scoperta di queste giganti bolle.

Il problema principale è il meccanismo attraverso il quale i raggi cosmici vengono accelerati. Analizzando la distribuzione spettrale, si notano infatti energie superiori a 3 x 10¹⁵ eV, non conformi ai valori attesi. Il nuovo modello proposto dal team spiegherebbe questa particolarità e il ruolo da protagonista è affidato alle superbolle di Fermi. I fisici dimostrarono che le particelle prodotte da eventi come le supernovae ad energie inferiori a 3 x 10¹⁵ eV, possono essere in seguito accelerate all’interno delle bolle evidenziando così valori di energia paragonabili a quelli osservati dall’analisi spettroscopica. Un risultato eccezionale, che contribuisce a far luce sui segreti ancora nascosti della cosmologia moderna. Ad oggi ancora non sappiamo con certezza cosa abbia generato queste strutture lobate, ma sicuramente siamo in grado di affermare che il ruolo delle superbolle di Fermi è cruciale per molti dei fenomeni che avvengono nella nostra galassia. E in molte altre. Sì, perché abbiamo già osservato strutture simili in altre galassie, seppur a bande di radiazione differente. Studi futuri e telescopi più sofisticati ci permetteranno di fare luce non solo sulle bolle, ma anche su ciò che realmente accade nelle zone più inaccessibili e misteriose dell’Universo: i centri delle galassie, una porzione di spazio e tempo dove i buchi neri supermassivi sembrano stravolgere le leggi della fisica.