Astronomia a raggi gamma

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L'astronomia a raggi gamma è una branca dell'astronomia dedicata allo studio delle emissioni gamma nell'Universo. I raggi gamma sono una radiazione fortemente energetica emessa durante alcuni dei fenomeni più violenti dell'Universo come materia che cade in un buco nero, Gamma Ray Burst o esplosioni di supernova.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Per molto tempo, prima che vari esperimenti potessero rivelare raggi gamma emessi da sorgenti cosmiche, gli scienziati sospettavano che qualche fenomeno presente nell'Universo dovesse produrre fotoni a queste lunghezze d'onda. Lavori di Eugene Feenberg e Henry Primakoff nel 1948[1], Sachio Hayakawa[2] e I.B. Hutchinson nel 1952 e specialmente Morrison nel 1958[3] lasciarono pensare agli scienziati che effettivamente un certo numero di processi fisici avrebbero potuto produrre emissioni di raggi gamma. Questi processi comprendono le interazioni dei raggi cosmici con il gas interstellare, esplosioni di supernove e interazioni di elettroni energetici con campi magnetici. Tuttavia fino agli anni sessanta del secolo scorso non si riuscì ad osservare alcun tipo di emissione.

Poiché i raggi gamma sono in gran parte assorbiti dall'atmosfera, il loro studio diretto è possibile soltanto utilizzando telescopi in orbita.

Infatti i raggi gamma provenienti dallo spazio sono per lo più assorbiti dall'atmosfera terrestre. Così l'astronomia a raggi gamma non si sviluppò finché non fu possibile mandare rivelatori al di sopra di tutta o almeno della maggior parte dell'atmosfera, usando palloni sonda o satelliti. Il primo telescopio per l'osservazione dei raggi gamma fu mandato in orbita a bordo del satellite Explorer 11 nel 1961 ed osservò meno di 100 fotoni gamma. Questi apparivano provenire da tutte le direzioni, facendo ipotizzare la presenza di una sorta di "sottofondo uniforme di raggi gamma" che permeava lo spazio. Tale sottofondo potrebbe formarsi proprio dall'interazione dei raggi cosmici con il gas del mezzo interstellare.

La prima vera sorgente astrofisica di raggi gamma furono i brillamenti solari, che mostrarono un'intensa riga di emissione alla lunghezza d'onda di 2,223 MeV, predetta da Morrison. Questa linea viene prodotta dalla formazione di deuterio con il processo di unione di un protone con un neutrone; i neutroni compaiono come prodotti secondari delle interazioni ad alta energia di ioni accelerati dai vari processi che agiscono durante il brillamento. L'osservazione della prima riga di emissione nei raggi gamma fu fatta da due dei satelliti dell'Orbiting Solar Observatory (OSO-3 e OSO-7) negli anni sessanta e settanta e dal satellite Solar Maximum Mission, lanciato nel 1980.

Le prime significative emissioni di raggi gamma provenienti dalla nostra galassia furono osservate per la prima volta nel 1967, dal rivelatore di raggi gamma a bordo del satellite OSO-3, che registrò 621 eventi attribuibili a raggi cosmici. Successivamente l'astronomia gamma fece grossi progressi con l'avvento dei satelliti SAS-2 (Second Small Astronomy Satellite) nel 1972 e Cos-B, la cui missione durò dal 1975 al 1982. Questi due satelliti fornirono un'importante vista nell'universo delle alte energie (a volte chiamato "violento", perché il tipo di eventi che producono raggi gamma è costituito prevalentemente da esplosioni, collisioni ad alta velocità e simili). Entrambi confermarono l'esistenza del sottofondo di raggi gamma, producendo la prima mappa dettagliata del cielo alle lunghezze d'onda gamma e scoprirono un certo numero di sorgenti puntiformi. Tuttavia, la bassa risoluzione degli strumenti a bordo rese impossibile identificare la maggior parte di esse con singole stelle o sistemi stellari.

Scoperta dei Lampi Gamma o GRB (Gamma Ray Burst)[modifica | modifica sorgente]

Forse la più spettacolare scoperta nell'astronomia dei raggi gamma fu fatta fra la fine degli anni sessanta e l'inizio degli anni settanta del secolo scorso da una costellazione di satelliti di difesa americani messi in orbita per scopi completamente differenti: infatti i rivelatori a bordo dei satelliti della serie Vela, costruiti per rivelare flash di raggi gamma dalle esplosioni delle bombe nucleari, cominciarono a registrare intense emissioni di lampi gamma provenienti non dalla superficie della Terra, ma dallo spazio profondo.

Oggi è assodato che la durata delle emissioni di lampi gamma (Gamma Ray Burst) vari da qualche frazione di secondo fino ad alcuni minuti, comparendo improvvisamente come lampi da qualunque direzione, tremolando per qualche istante per poi svanire dopo aver dominato brevemente il cielo nell'intervallo spettrale dei raggi gamma. Studiati da oltre 25 anni con strumenti a bordo di una moltitudine di satelliti e sonde, fra cui le sonde sovietiche del Programma Venera e l'americana Pioneer Venus Orbiter, le sorgenti di questi enigmatici flash ad altissima energia restano un mistero. I gamma ray burst sembrano provenire da molto lontano nell'Universo e attualmente le teorie più accreditate ipotizzano che alcuni di essi provengano dall'esplosione delle cosiddette ipernove, supernove che formano buchi neri invece di stelle di neutroni.

Osservatori dagli anni novanta ad oggi[modifica | modifica sorgente]

Durante il programma spaziale High Energy Astronomy Observatory cominciato nel 1977, la NASA annunciò l'intenzione di costruire un "grande osservatorio" per l'astronomia a raggi gamma. Il Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) fu progettato per trarre vantaggio dei maggiori progressi tecnologici realizzati negli anni ottanta nel campo dei rivelatori e fu lanciato nel 1991. Il satellite portava a bordo quattro strumenti principali che avevano migliorato enormemente la risoluzione sia spaziale che temporale delle osservazioni nei raggi gamma. CGRO fornì una gran quantità di dati che sono serviti per far progredire la nostra conoscenza dei processi ad alta energia presenti nell'Universo. Il satellite fu fatto rientrare nell'atmosfera terrestre e fatto precipitare nell'Oceano Pacifico il 4 giugno 2000 a causa di un malfunzionamento ad uno dei suoi giroscopi che ne mantenevano l'assetto.

Il satellite italo-olandese Beppo-SAX fu lanciato nel 1996 e fatto rientrare nell'atmosfera nel 2003. Anche se fu progettato per studiare i raggi X, riuscì ad osservare anche i Gamma Ray Burst. Identificando la prima controparte di un Gamma Ray Burst in un'altra lunghezza d'onda, Beppo-SAX aprì la strada per una precisa localizzazione e osservazione in banda ottica dei loro evanescenti resti in galassie lontane.

Il satellite High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) fu lanciato il 9 ottobre 2000[4] per una missione di una durata prevista di due anni, ma ancora funzionante a marzo 2007[5].

Il satellite Swift

Swift, satellite di NASA e ASI dedicato allo studio dei Gamma Ray Burst, fu lanciato nel 2004. Uno dei suoi strumenti, il Burst Alert Telescope (BAT) è espressamente dedicato alla scoperta ed osservazione dei Gamma-Ray Burst. Sull'esempio dei satelliti BeppoSAX e HETE-2, Swift ha osservato numerose controparti in ottico e in banda X dei Gamma-Ray Burst conducendo gli astronomi alla determinazione della loro distanza e a studi dettagliati in ottico dei resti dell'esplosione. Si è scoperto così che la maggior parte dei Gamma-Ray Burst è originato dall'esplosione di stelle massicce (supernove e ipernove) in galassie distanti.

Attualmente i principali osservatori di raggi gamma operativi nello spazio sono l'International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, (INTEGRAL) e il Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), rinominato Fermi dopo il lancio. INTEGRAL è una missione spaziale dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) in collaborazione con la Repubblica Ceca, la Polonia, gli Stati Uniti e la Russia. Il satellite fu lanciato il 17 ottobre 2002. GLAST fu lanciato dalla NASA l'11 giugno 2008 e ha portato in orbita il Large Area Telescope (LAT) e il GLAST Burst Monitor (GBM).

Raggi gamma molto energetici, i cui fotoni hanno un'energia superiore ai 30 GeV, possono essere rivelati anche con grandi esperimenti da terra. Questo è necessario poiché a queste energie il flusso di fotoni è estremamente basso e richiederebbe rivelatori con un'area effettiva troppo grande per essere attualmente impiegati nello spazio. Fortunatamente questi fotoni ad alta energia, interagendo con l'atmosfera terrestre, producono ampie cascate di particelle secondarie che possono essere osservate da terra sia direttamente con contatori di radiazione che otticamente tramite la luce Čerenkov emessa da cascate di particelle ultra-relativistiche.


Il telescopio Čerenkov di 17 m di diametro MAGIC sull'isola di La Palma (Isole Canarie, Spagna)

L'uso di telescopi per l'osservazione della luce Čerenkov è attualmente la tecnica che fra le due ha la miglior sensibilità. La Nebulosa del Granchio, una sorgente stabile di raggi gamma con energie oltre il TeV, è stata per la prima volta osservata nel 1989 dal Whipple Observatory, sul monte Hopkins in Arizona (Stati Uniti).

I moderni telescopi Čerenkov come H.E.S.S., VERITAS, MAGIC e CANGAROO III possono osservare la Nebulosa del Granchio in pochi minuti.

Le osservazioni astronomiche in banda gamma sono tuttora limitate alle energie più basse dal flusso di raggi cosmici (prevalentemente non gamma) e alle alte energie dal numero di fotoni che possono essere rivelati (il flusso di fotoni decresce secondo una legge di potenza all'aumentare dell'energia). Rivelatori con superfici maggiori e una migliore riduzione della contaminazione da raggi cosmici di natura non gamma (prevalentemente protoni) sono indispensabili per compiere ulteriori progressi in questo campo.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ E. Feenberg, Primakoff, H., Interaction of Cosmic-Ray Primaries with Sunlight and Starlight in Physical Review, vol. 73, 1948, pp. 449-469, DOI:10.1103/PhysRev.73.449. URL consultato il 15 novembre 2008.
  2. ^ S. Hayakawa, Propagation of the Cosmic Radiation through Intersteller Space in Progress of Theoretical Physics, vol. 8, nº 5, 1952, pp. 571-572, DOI:10.1143/PTP.8.571. URL consultato il 15 novembre 2008.
  3. ^ P. Morrison, On gamma-ray astronomy in Il Nuovo Cimento, vol. 7, nº 6, 1958, pp. 858-865, DOI:10.1007/BF02745590. URL consultato il 15 novembre 2008.
  4. ^ (EN) The History of the HETE-2 Mission. URL consultato il 15 dicembre 2008.
  5. ^ (EN) HETE Mission Status. URL consultato il 15 dicembre 2008.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Astronomia
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