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Osservare i raggi gamma

Lo studio dell'Universo a diverse lunghezze d'onda ha conosciuto negli ultimi anni un rapido sviluppo grazie anche all'apertura di una nuova finestra osservativa, quella dei raggi gamma di alta ed altissima energia. Con il termine di radiazione gamma, viene infatti indicata la regione più energetica dello spettro elettromagnetico, ovvero una radiazione fino a migliaia di miliardi di volte più energetica della luce visibile a cui i nostri occhi sono sensibili. L'immagine del cosmo ottenuta attraverso questa forma di radiazione è molto differente da quella a cui siamo abituati ed evidenzia un lato particolarmente violento del nostro Universo. Tuttavia, a causa dell'eccezionale energia posseduta, lo studio sistematico delle sorgenti di raggi gamma, richiede l'utilizzo di metodologie molto differenti da quelle utilizzate dalla normale astronomia ottica o in altre bande. Dato che la nostra atmosfera è in grado di bloccare la radiazione gamma proveniente dallo spazio, la sua rivelazione può avvenire in maniera diretta, ovvero utilizzando strumentazione posta su satellite o in modo indiretto, con telescopi a terra, attraverso lo studio degli sciami atmosferici prodotti dai raggi gamma primari in atmosfera.


Principio di funzionamento dei telescopi Cherenkov. Credit: HESS collaboration.

I telescopi Cherenkov

Milioni di raggi gamma, provenienti dallo spazio esterno, penetrano ogni secondo nella nostra atmosfera e interagiscono con i suoi atomi creando sciami di particelle di materia e di antimateria. L'energia di queste particelle è tale che esse arrivano a muoversi nell'atmosfera ad una velocità superiore a quella della stessa luce nell'aria. Quando ciò accade, viene emesso un debole impulso luminoso. La luce emessa è di un blu intenso e viene chiamata "luce Cherenkov". Questa luce prodotta dagli sciami di particelle non può essere osservata ad occhio nudo perché è molto debole e dura pochi miliardesimi di secondo. Essa può tuttavia essere rivelata con degli appositi strumenti: i telescopi Cherenkov. Dotati di un grande specchio primario, questi telescopi riescono infatti a raccogliere ed amplificare il debole segnale luminoso proveniente da queste nuvole di particelle.

I cosiddetti Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes sono strumenti molto complessi. Il loro obiettivo è quello di raccogliere il maggior numero possibile di fotoni (i quanti di luce) Cherenkov e di produrre una vera immagine dello sciame di particelle atmosferico. Questa immagine ha la forma di un ellisse nella camera del telescopio. Dalla diversa morfologia di questa immagine, gli astronomi sono poi in grado di ricavare l'energia, la direzione di provenienza del raggio gamma primario e, ancora più essenziale, la natura dello sciame atmosferico osservato. Sciami atmosferici generati da raggi gamma di alta energia sono infatti eventi relativamente rari e sono migliaia di volte meno numerosi degli sciami atmosferici generati dai raggi cosmici. Quest'ultimi, composti da protoni o nuclei di atomi leggeri che interagiscono in atmosfera, sono in grado anch'essi di generare sciami di particelle in atmosfera che, a loro volta, producono luce Cherenkov. La discriminazione tra i due tipi di eventi si basa su complessi algoritmi di selezione basati sulla diversa forma dell'immagine nella camera dei telescopi.
Immagini di sciami atmosferici originati da primari di diversa natura nella camera del telescopio MAGIC. Credit: MAGIC collaboration.

Nonostante all'apparenza i telescopi Cherenkov possano risultare simili ai normali telescopi ottici, le differenze sono sostanziali: uno sciame elettromagnetico è un evento intrinsecamente esteso e ciò rende l'eccezionale risoluzione angolare dei telescopi ottici superflua in questo tipo di osservazioni. Allo stesso tempo e per lo stesso motivo, non è richiesta la stessa accuratezza nella realizzazione degli specchi che dunque possono raggiungere dimensioni ragguardevoli. Risulta invece essenziale la sensibilità al singolo fotone e l'accuratezza nella determinazione del tempo di arrivo dei fotoni che si traduce nell'utilizzo di sensibili fotomoltiplicatori I telescopi Cherenkov attualmente esistenti: MAGIC (sull'isola di La Palma alle Canarie), H.E.S.S. (in Namibia) e VERITAS (in Arizona), rappresentano al momento la frontiera dell'Astronomia alle altissime energie. Grazie a questi strumenti oggi sappiamo che esistono oltre 100 sorgenti (inclusi resti di supernovae e buchi neri) nell'Universo che emettono raggi gamma di altissima energia. Il nuovo osservatorio CTA sarà estramemente più sensibile e permetterà la scoperta di più di 1000 nuove sorgenti di raggi gamma permettendo di comprendere segreti della natura più violenta nel nostro Universo.

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"Il telescopio che scruterà l'Universo più violento" articolo de "Le Stelle" N° 107 Giugno 2012