L'aria sopra la tua testa è viva con docce invisibili. Le particelle potenti dallo spazio colpiscono costantemente l'atmosfera sopra di te, generando una cascata subatomica che spara verso il basso alla velocità della luce vicina. Capire da dove provengono questi acquazzoni e cosa ci raccontano dell'universo è il lavoro dell'osservatorio dell'acqua ad alta altitudine Cherenkov (HAWC) un telescopio costituito da 300 vasche giganti di acqua purificata collocate vicino alla cima del vulcano Sierra Negra in Messico.
L'obiettivo di HAWC è trovare i fenomeni di massima energia nel cosmo; tra cui stelle esotiche, buchi neri supermassicci e materia oscura annichilante. Fenomeni come questi producono raggi gamma, fotoni con oltre un trilione di volte l'energia della luce ottica con cui vediamo, e raggi cosmici, caricano nuclei atomici con energie fino a sette volte quella dei protoni che si sono fracassati nel Large Hadron Collider. Le origini di entrambi rimangono avvolte in molti misteri, motivo per cui HAWC controlla costantemente gran parte del cielo nella speranza di svelarne alcuni.
Quando una particella ad altissima energia entra nell'atmosfera terrestre e si schianta contro una molecola d'aria, la reazione risultante produce nuove particelle subatomiche. Ognuna di queste contiene un'enorme energia e così continuano a fracassare, reagire e produrre più particelle in una valanga sempre più ampia che finisce per espandersi in un cerchio di circa 100 metri nel momento in cui raggiunge il suolo. Questa pioggia di particelle attraversa i serbatoi del telescopio viaggiando più velocemente della velocità della luce nell'acqua (che è circa tre quarti della sua velocità nel vuoto), creando l'equivalente ottico di un boom sonico - uno scoppio di luce ultravioletta noto come radiazione Cherenkov. Caratterizzando esattamente come e quando le particelle incontrano la schiera di serbatoi d'acqua purificati, i ricercatori possono determinare dove si trova la sorgente nel cielo.
Circa 20.000 di queste docce vengono registrate ogni secondo presso HAWC ma quasi tutte sono raggi cosmici, non gamma. Poiché i raggi cosmici sono carichi, il loro percorso di volo attraverso l'universo è alterato da campi magnetici, il che significa che i loro punti di origine non possono essere determinati. I raggi gamma sono molto più rari - HAWC ne vede circa 1.000 al giorno - ma indicano in linea retta le loro fonti. Solitamente i precedenti telescopi a raggi gamma dovevano mirare a punti specifici del cielo, spesso solo dopo che i ricercatori sono stati avvisati di alcuni fenomeni ad alta energia che si verificano lì. Poiché HAWC guarda sempre nell'universo, ha maggiori probabilità di raccogliere questi rari lampi.
Completato nel marzo 2015, l'osservatorio ha recentemente pubblicato il suo primo anno di dati: una mappa del cielo che rivela circa 40 fonti super luminose, molte all'interno della nostra galassia della Via Lattea. "Queste non sono star del run-of-the-mill", ha detto il fisico Brenda Dingus del Los Alamos National Laboratory, portavoce di HAWC.
La maggior parte sono resti di supernova, le conseguenze della potente esplosione che si verifica durante la morte di una stella gigante. Mentre le onde d'urto di queste esplosioni si espandono verso l'esterno, si schiantano contro gas e polvere circostanti ad alta velocità, generando radiazioni gamma, un processo che può continuare per migliaia di anni. Il team HAWC spera di scoprire i resti di supernova in varie fasi della loro evoluzione e combinare i loro dati con i dati di altri telescopi che lavorano a diverse lunghezze d'onda per capire i dettagli di questo complesso processo. Poiché i resti di supernova hanno potenti campi magnetici, intrappolano e accelerano le particelle cariche, creando raggi cosmici. Si pensa che la maggior parte dei raggi cosmici che vediamo abbiano origine in tali luoghi, ma possono anche essere prodotti da pulsar - stelle di neutroni super densi che ruotano rapidamente che emettono un raggio di radiazione - e buchi neri che si orbitano l'un l'altro. HAWC aiuterà i ricercatori a determinare la potenza totale prodotta da tutti questi diversi acceleratori di particelle cosmiche.
I dati HAWC contengono anche diversi oggetti luminosi che si trovano al di fuori della galassia. Perché sono così lontani, queste fonti devono brillare come proiettori nell'universo. Alcuni sono nuclei galattici attivi, giovani galassie il cui buco nero supermassiccio centrale sta banchettando con un'enorme quantità di gas e polvere. Mentre la materia gira intorno al buco nero, si riscalda, rilasciando colossali getti di radiazione. HAWC ha visto queste strutture divampare periodicamente, ma non si sa esattamente perché ciò avvenga.
L'osservatorio spera anche di individuare esplosioni di raggi gamma, i fenomeni più energici nell'universo conosciuto. Pensato che si verifichi quando una stella supermassiccio collassa in un buco nero, queste esplosioni rilasciano la stessa quantità di energia in pochi secondi del nostro sole nel corso dell'intera vita. Poiché sono così transitori, è stato difficile per gli scienziati studiarli, ma HAWC - che osserva costantemente il cielo - dovrebbe vedere almeno un paio all'anno.
Poi c'è la roba veramente rivoluzionaria che HAWC potrebbe potenzialmente osservare. "La materia oscura sarebbe la cosa più bella da trovare", ha detto Dingus.
Mentre gli scienziati possono vedere gli effetti gravitazionali di questo strano materiale nell'universo, la materia oscura non produce radiazioni elettromagnetiche e quindi non si presenta nei normali telescopi. Ma alcuni teorici ipotizzano che le particelle di materia oscura possano schiantarsi l'una contro l'altra e annichilirsi, un processo che dovrebbe generare raggi gamma. In luoghi come le galassie sferoidali nane, che sono fatte quasi interamente di materia oscura, questo annientamento dovrebbe avvenire costantemente. Finora, nessuno ha visto significative radiazioni gamma provenienti da queste deboli, piccole galassie, ma ne vengono scoperte di nuove continuamente, aumentando la possibilità di aprire finalmente uno dei più grandi misteri dell'astronomia.
Più a lungo HAWC guarda nell'universo, più profonde e dettagliate saranno le sue osservazioni. La corsa iniziale dell'osservatorio è attualmente prevista per il 2020. "Ma se vediamo qualcosa di bello, forse correremo più a lungo", ha detto Dingus.
