Sebbene questa componente ad alta energia della radiazione solare non raggiunga direttamente la superficie terrestre, i raggi gamma creano firme rivelatrici che sono state osservate da Nisa e dai suoi colleghi con l'High-Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC).
HAWC è un osservatorio di raggi cosmici e raggi gamma che funziona tutto il giorno, sito sui fianchi del vulcano Sierra Negra nello stato messicano di Puebla.
"Ora disponiamo di tecniche di osservazione che non erano possibili alcuni anni fa", ha detto Mehr Un Nisa, ricercatore associato post-dottorato presso la Michigan State University che lavora presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia del College of Natural Science. "In questo particolare regime energetico, altri telescopi terrestri non potrebbero guardare il sole perché funzionano solo di notte", ha detto. "Il nostro funziona 24 ore su 24, 7 giorni su 7".
Oltre a funzionare in modo diverso dai telescopi convenzionali, HAWC ha un aspetto molto particolare.
Non è un tubo dotato di specchi e lenti ma utilizza una rete di 300 grandi serbatoi, ciascuno riempito con circa 200 tonnellate d'acqua. La rete è incastonata tra due picchi vulcanici dormienti in Messico, a più di 4.000 metri sopra il livello del mare. Da questo punto di osservazione, può registrare cosa succede quando i raggi gamma colpiscono l'atmosfera. Tali collisioni creano quelli che vengono chiamati "sciami d'aria", esplosioni di particelle impercettibili ad occhio nudo.
L'energia del raggio gamma originale viene liberata e ridistribuita tra nuovi frammenti del fascio, costituiti da altre particelle con energie inferiori e luce. Quando le particelle di questa sorta di doccia interagiscono con l'acqua nelle vasche dell'HAWC, creano quella che è nota come radiazione Cherenkov che può essere rilevata con gli strumenti dell'osservatorio.
Nisa e i suoi colleghi hanno iniziato a raccogliere dati nel 2015. Nel 2021, il team aveva accumulato sufficienti informazioni per iniziare a esaminare i raggi gamma del Sole con sufficiente attenzione.
"Il Sole è più sorprendente di quanto pensassimo", ha detto Nisa "Pensavamo di aver capito questa stella ma non è così".
"Dopo aver esaminato i dati di sei anni, è emerso questo eccesso di raggi gamma. Quando l'abbiamo visto per la prima volta, ci siamo detti, 'Abbiamo decisamente incasinato tutto. Il sole non può essere così luminoso con queste energie", ha detto Nisa.
Nisa, che presto entrerà a far parte della facoltà della Michigan State University (MSU), è l'autore corrispondente di un nuovo articolo sulla rivista Physical Review Letters
Raggi gamma da 1 TeV
Il Sole emette molta luce che copre una vasta gamma di energie ma alcune energie sono più abbondanti di altre. Ad esempio, attraverso le reazioni nucleari che avvengono al suo interno, il Sole fornisce luce visibile, cioè le lunghezze d'onda che rientrano nella nostra capacità visiva. Questa forma di luce trasporta un'energia di circa 1 elettronVolt.
I raggi gamma osservati da Nisa e dai suoi colleghi avevano circa 1 trilione di elettronVolt, o 1 teraelettronVolt (1 TeV). Non solo questo livello di energia è sorprendente ma il team ha scoperto che questi raggi cosmici altamente energetici sono anche molto abbondanti.
Negli anni '90 del secolo scorso, gli scienziati avevano ipotizzato che il Sole potesse produrre raggi gamma dalle interazioni con i raggi cosmici galattici ad alta energia, le particelle accelerate da buchi nero o supernove. Ma, sulla base di ciò che si sapeva sui raggi cosmici e sul Sole, i ricercatori non pensavano che così tanti raggi gamma raggiungessero la Terra. A quel tempo, però, non esisteva uno strumento in grado di rilevare raggi gamma ad alta energia. La prima osservazione di raggi gamma con energie di oltre un miliardo di elettronvolt è arrivata dal telescopio spaziale Fermi Gamma-ray della NASA nel 2011.
Nel corso degli anni successivi, la missione Fermi dimostrò non solo che questi raggi potevano essere molto energetici ma anche che ce n'erano circa sette volte di più di quanto ipotizzato dagli scienziati. E sembrava che ci fossero altri raggi gamma da scoprire a energie ancora più elevate. Ma a causa di limiti tecnici, le misurazioni del telescopio Fermi dei raggi gamma del Sole hanno raggiunto un massimo di circa 200 miliardi di elettronVolt. Quindi, i teorici guidati da John Beacom e Annika Peter, entrambi professori alla Ohio State University, hanno incoraggiato la HAWC Collaboration a dare un'occhiata.
Ora, per la prima volta, il team ha dimostrato che le energie dei raggi del Sole si estendono nella gamma dei TeV fino a quasi 10 TeV, che sembra essere il massimo, ha detto Nisa.
Attualmente, la scoperta crea più domande che risposte. Gli scienziati solari dovranno comprendere come esattamente questi raggi gamma raggiungano energie così elevate e quale ruolo giochino i campi magnetici del sole in questo fenomeno, ha detto Nisa.
"Il segnale osservato mostra un'intrigante dipendenza dal misterioso ciclo solare di 11 anni, cioè è più luminoso durante il minimo solare quando l'attività magnetica del Sole è bassa, e più debole durante il massimo solare quando il campo magnetico del Sole è più violento. Ciò indica un legame tra i raggi cosmici che colpiscono la superficie solare e i raggi gamma osservati. Ma esattamente come questi raggi cosmici interagiscono per produrre un flusso così luminoso di raggi gamma è un enigma", scrive il team.
Un eccesso di raggi gamma solari rilevato dalla High-Altitude Water Cherenkov Observatory Collaboration, che comprende ricercatori della Michigan State University
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