Un’analisi sul processo di accelerazione di raggi cosmici negli shock. Lo studio: “Individual particle approach to the diffusive shock acceleration. Effect of the non-uniform flow velocity downstream of the shock” di O. Petruk (INAF-OAPA) pubblicato su A&A

La Terra è continuamente bersagliata da particelle ad altissima energia, conosciute come “raggi cosmici“. Lo spettro energetico dei raggi cosmici è ben definito: fino a un’energia di circa 10¹⁵ elettronvolt (eV) si tratta di raggi cosmici di origine Galattica, mentre quelli con un’energia fino a 10²¹ eV extragalattica. Lo spettro segue una legge di potenza, il che significa che il flusso di particelle con una determinata energia diminuisce rapidamente all’aumentare dell’energia, seguendo una potenza dell’energia con esponente che varia da -2.7 a -3.0.

 

Gli shock che si formano e si propagano in specifici ambienti astrofisici, come nei resti di supernova, sono riconosciuti dalla fine degli anni settanta come uno dei principali fattori responsabili dell’accelerazione dei raggi cosmici. In presenza di uno shock, alcune proprietà del mezzo in cui si propaga lo shock, come temperatura, pressione e velocità, cambiano rapidamente. Inoltre, si innescano dei fenomeni di diffusione in cui è coinvolto il campo magnetico, che sono in grado di portare le particelle a energie relativistiche, generando così i raggi cosmici.

 

Il processo di accelerazione delle particelle negli shock è piuttosto complesso e dipende da diverse proprietà dello shock e dall’ambiente in cui lo shock si propaga. Ad esempio, effetti che possono essere misurati e che influenzano lo spettro in energia dei raggi cosmici possono risultare da disomogeneità spaziali delle velocità del plasma sia in ingresso che in uscita dallo shock.

Nello studio intitolato “Individual particle approach to the diffusive shock acceleration. Effect of the non-uniform flow velocity downstream of the shock“, recentemente pubblicato su Astronomy & Astrophysics, l’astrofisico O. Petruk (INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo) in collaborazione con T. Kuzyo (National Academy of Sciences of Ukraine) presentano una soluzione analitica della distribuzione del momento delle particelle accelerate, tenendo conto di tali disuniformità. Applicando questa soluzione ai resti di supernova, lo studio dimostra inoltre come lo spettro delle particelle accelerate e alcune osservabili, come l’emissione nella banda radio, varino durante l’evoluzione del resto di supernova.

Gli autori dello studio hanno adottato due approcci differenti per descrivere matematicamente l’accelerazione delle particelle negli shock. Il primo approccio implica la risoluzione analitica dell’equazione cinetica delle particelle di prova, mentre il secondo si basa su considerazioni statistiche relative all’insieme delle particelle. Sebbene il secondo approccio sia più intuitivo del primo, è solamente attraverso la soluzione analitica delle equazioni che è possibile ottenere risultati esatti sullo spettro in energia dei raggi cosmici accelerati. L’approccio statistico viene introdotto per permettere una generalizzazione a problemi più complessi, quali quelli che coinvolgono disomogeneità nelle proprietà spaziali dei plasmi.

 

La figura di copertina (cliccare qui per visualizzarla interamente) mostra un’immagine ai raggi X ottenuta con il satellite della NASA Chandra del resto di supernova SN 1604, noto anche come resto di supernova di Keplero, uno dei resti di supernova dove il processo di accelerazione dei raggi cosmici è studiato.