Analisi dati dell’osservatorio Pierre Auger

🔧 Esercizi interattivi  

L’Osservatorio Pierre Auger ha reso pubblici il 10% dei dati acquisiti finora.  

È possibile scaricare i dati direttamente dal sito della collaborazione Auger . 

Svolgendo i seguenti due esercizi, potrete scaricare dei piccoli file di dati, esplorarne il contenuto e analizzare i dati 

Ogni esercizio viene svolto tramite un foglio di lavoro (notebook) messo a disposizione da Google Colab e utilizzando il linguaggio di programmazione Python. 

I dettagli dell’analisi sono indicati passo passo nel Google Colab.  

💻 Esercizio 1: Ricostruisci lo spettro dei raggi cosmici di energia estrema 

 Conoscendo l’energia degli sciami rivelati dall’Osservatorio e il numero di sciami raccolti in un certo intervallo di energia, possiamo calcolarne il flusso e costruire lo spettro dei raggi cosmici primari rappresentato in Fig. 1.  

Fig. 1: spettro dei raggi cosmici di altissima energia misurato dall’Osservatorio Pierre Auger. Ciascuno degli spettri rappresentati in figura è stato ottenuto con diversi metodi e rivelatori dell’Osservatorio. Utilizzare più rivelatori e tecniche di misura diverse, permette di misurare lo spettro su un intervallo di energia più ampio. Gli intervalli di energia sono di 0.1 Log (E/eV). Ref. https://pos.sissa.it/301/486/pdf

Per ottenere il flusso, il numero di raggi cosmici va diviso per una quantità chiamata esposizione, che tiene conto del tempo in cui l’apparato è stato in presa dati, della superficie a disposizione per la misura e della porzione di cielo osservata. I punti in rosso di Fig. 1 rappresentano lo spettro ottenuto dai dati raccolti con il rivelatore di superficie dell’Osservatorio Auger. Lo spettro parte da un’energia di 1018.3 eV: sciami prodotti da raggi cosmici primari con questa energia possono essere rivelati dall’SD e ben ricostruiti.  

Analizzando i datiognuno di voi potrà contare i raggi cosmici rivelati in intervalli di 0.1 o 0.2 Log(E/eV) a partire da 18.3 log(E/eV) e costruire il proprio spettro.  

Cambiando la larghezza degli intervalli (bin) cambierà il numero di conteggi. Usando bin più stretti i conteggi all’interno di ognuno di essi diminuiranno e aumenteranno quindi le fluttuazioni statistiche. Verificalo svolgendo l’esercizio!  

Questa misura ha portato ad una delle più importanti scoperte dell’Osservatorio Auger, come l’esistenza di una soppressione nel flusso dei raggi cosmici ad altissima energia. Come si vede in Fig. 1, intorno a 1019.5 eV, è visibile una forte riduzione del numero di raggi cosmici. La Collaborazione continua a cercare la causa di questa soppressione.  

L’ipotesi più accreditata è che non esistano nell’Universo fenomeni astrofisici in grado di accelerare raggi cosmici fino ad energie che vadano oltre un certo limite. L’altra causa della soppressione potrebbe essere il cosiddetto effetto GZK, dovuto all’interazione dei raggi cosmici con una radiazione cosmica di fondo che pervade tutto l’Universo e che è stata originata all’epoca del Big Bang.  

Come vedi, abbiamo avuto tante importanti risposte fino ad ora, ma tante dobbiamo ancora cercarne. 

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🔭 Esercizio 2: Costruisci la mappa galattica dei raggi cosmici di energia estrema 

Sappiamo che i raggi cosmici vengono prodotti da fenomeni astrofisici avvengono nell’Universo. Ma non sappiamo ancora non certezza quali sono queste “sorgenti” e dove si trovano. 

I raggi cosmici, essendo generalmente particelle cariche, risentono gli effetti dei campi magnetici galattici ed extra-galattici, pertanto le traiettorie che li portano fino a noi vengono deflesse lungo il camminoGli effetti del campo magnetico sulle traiettorie però si riducono all’aumentare dell’energia dei raggi cosmici. Studiando dunque la direzione di arrivo dei raggi cosmici di energia più elevata si può puntare la zona dello spazio da cui sono stati generati. 

In Fig.2, è rappresentato il flusso di particelle in coordinate galattiche (latitudine e longitudine)Il sistema di coordinate galattiche è un sistema di coordinate celesti centrato sulSole e allineato col centro della Via Lattea. L’“equatore galattico” è allineato con il piano galattico.  

L’Osservatorio Auger ha evidenziato che alcune galassie potrebbero essere più di altre sorgenti di raggi cosmici. Come si vede dalla mappa sottostante, si ha una densità maggiore di raggi cosmici in una zona di 13° intorno alla posizione di alcune galassie definite starbust galaxy, cioè galassie in cui è presente un’alta attività di formazione stellare. 

Fig.2: Mappa delle direzioni di arrivo dei raggi cosmici di energia superiore a 6 Joule. Ref. Pierre Auger Observatory  www.auger.org

 Svolgendo l’esercizio, potrete divertirvi anche voi a costruire la vostra mappa galattica e a vedere cosa succede modificando l’energia dei raggi cosmici che disegnate e la risoluzione della mappa. 

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🔭 Esercizio 3: Ricerca di eccessi di raggi cosmici di altissima energia. 

Il modo più evidente per cercare le sorgenti di raggi cosmici è certamente vedere da dove arrivano. Se puntano direttamente verso la posizione di uno dei “sospetti”, è la prova che stiamo cercando! Un problema fondamentale, però, è che i raggi cosmici, in quanto particelle cariche, vengono deviate dai campi magnetici e quindi non puntano direttamente alla direzione della loro sorgente, ma vengono “spalmati” intorno a questa (Fig.7).

Bisogna quindi andare a cercare regioni che mostrano un eccesso di raggi cosmici, ma questo può non essere facile: gli eventi che osserviamo sono pochi, e potrebbe succedere che per caso ne arrivino di più da una direzione che dall’altra… Affrontiamo questo problema con qualche base di statistica per poter definire quando un eccesso è significativo e quando invece è probabile che sia soltanto una cosiddetta fluttuazione statistica, ossia che i dati per caso simulino il segnale che cerchiamo.

Fig.7: Particolare della mappa celeste dei raggi cosmici di energia estrema. La stella rappresenta la posizione di Centaurus A, la galassia attiva più vicina a noi, e il cerchio intorno ad essa indica la regione in cui è stato trovato un eccesso di raggi cosmici.

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