L'Universo visto attraverso i raggi gamma

L'immagine di Universo che può essere ottenuta attraverso i raggi gamma è molto differente da quella a cui siamo abituati e che deriva dall'osservazione in luce visibile. La radiazione gamma è prodotta da meccanismi molto diversi da quelli che generano fotoni di energia più bassa. L'immagine del cosmo che possiamo avere guardando il cielo con i nostri occhi è infatti un immagine termica di Universo in cui la radiazione osservata riflette la temperatura dell'oggetto che l'ha emessa. Nell'ambito della luce visibile, ciò che comunemente chiamiamo "colori" non sono altro che mappe di temperatura in cui al colore blu corrisponde radiazione emessa da un corpo a temperatura maggiore rispetto ad una sorgente che appare di colore rosso. In generale, maggiore è la temperatura di un oggetto, maggiore è l'energia della radiazione emessa. Tuttavia, ad eccezione del Big Bang, nel nostro Universo non esiste nulla di così caldo da poter emettere raggi gamma. I processi che sono in grado di produrre radiazione di questa straordinaria energia vengono dunque definiti non termici e sono spesso il risultato dei fenomeni più violenti all'opera nel nostro Universo sia in oggetti galattici che extragalattici. Raggi gamma possono infatti venir prodotti da particelle ultrarelativistiche (ovvero particelle con una velocità molto vicina alla velocità della luce) accelerate in colossali onde d'urto create a seguito di esplosioni stellari o nei getti di materia emessi da buchi neri super-massici al centro di alcune particolari galassie.

Resti di Supernova

Un'esplosione di supernova è il risultato finale dell'evoluzione delle stelle di grande massa (almeno 8 volte la massa del nostro Sole). Quando la stella non è più in grado, attraverso le reazioni di fusione nucleare, di equilibrare il suo stesso peso, una possente esplosione distrugge la stella rilasciando un'ergia pari a quella che il nostro sole irradia in 10 miliardi di anni.

Nell'esplosione di una supernova, una stella espelle praticamente tutto il suo inviluppo esterno. Tali "resti" viaggiano a velocità superiori ai 10000 km/s e impiegano decine di migliaia di anni per rallentare. L'interazione con il mezzo che circonada la stella origina delle onde d'urto capaci di accelerare particelle fino ad energie altissime. Queste particelle possono poi emettere radiazione gamma.

Sistemi Binari

Con il termine di sistemi binari, vengono individuati sistemi gravitazionalmente legati composti da una oggetto di massa stellare e un oggetto compatto (come un buco nero o una stella di neutroni). Data la grande attrazione grazitazionale che l'oggetto compatto è in grado di esercitare, gli inviluppi esterni della stella compagna possono essere "strappati" spiralegginado poi verso l'oggetto compatto. Questo accrescimento di materia, genera un'emissione di raggi gamma che può essere rivelata con i telescopi Cherenkov. Attualmente, solo pochi sistemi di questo tipo sono noti alle altissime energie, tuttavia essi evidenziano la grande efficienza posseduta da questi oggetti nei processi di accelerazione di particelle. Inoltre, la variazione regolare dei parametri orbitali della stella orbitante, permette, una volta nota la geometria del sistema, di comprendere meglio la natura delle particelle accelerate e le condizioni in cui questa accelerazione viene fornita.

Pulsar

Le pulsar sono stelle di neutroni rapidamente ruotanti risultanti da un esplosione di supernova. Questi oggetti possiedono un elevatissivo campo elettrico e magnetico ed operano come una dinamo nell'accelerare particelle. Tipicamente, due differenti componenti di emissione alle altissime energie possono essere rivelate: una componente pulsata proveniente dalla immediate vicinanze della superficie della stella di neutroni, e una componente non pulsata derivante dall'interazione tra la materia accelerata dalla pulasar e l'ambiente circostante.

A questa categoria appartiene la più nota sorgente di raggi gamma di altissima energia: la Crab Nebula.

Nuclei Galattici Attivi e Blazars

I Nuclei Galattici Attivi (AGN), sono oggetti extragalattici compatti composti da un buco nero supermassicio (fino a 1 miliardo di volte la massa del sole) al centro di alcune galassie. Questi oggetti sono infatti estremamente luminosi in tutte le bande dello spettro elettromagnetico e, come nel caso dei sistemi binari, di cui rappresentano una copia in scala molto maggiore, possono presentare un'intensa emissione di raggi gamma. L'accrescimento di materia attorno buco nero centrale guida infatti l'emissione osservata. Inoltre, perpendicolarmente al disco di accrescimento si sviluppano due getti collimati in cui la materia viene accelerata fino a velocità prossime a quella della luce.

Quando questi getti puntano verso la terra, l'AGN viene detto blazar. In generale, gli AGN (e i blazar in particolare) sono le sorgenti di natura non-transiente più luminose dell'Universo e rappresentano, nel campo dell'astronomia gamma, la classe di oggetti maggiormente numerosa e studiata.

Galassie Starburst

Con il termine galassie starburst vengono indicate galassie che presentano un elevato tasso di formazione stellare, fino a 10 volte maggiore rispetto alle galassie "normali". Questo si traduce in un conseguente elevato tasso di esplosione di supernovae. Grazie al contributo delle supernovae e all'interazione tra la materia espulsa nelle esplosioni, queste galassie sono tra i più efficienti siti di accelerazione e produzione di raggi gamma.

Gamma Ray Burst

I Gamma Ray Burst (GRB) sono eventi transienti di durata variabile tra i millesecondi e le centinaia di secondi. Questi oggetti sono stati scoperti per la prima volta negli anni '60 dalla costellazione di satelliti Vela e sono caratterizzati da una emissione impulsiva di raggi gamma morbidi (< MeV). Nei secondi in cui un GRB è attivo, esso rappresenta la più luminosa sorgente gamma dell'intero cielo. Sebbene non ancora rivelati con strumenti Cherenkov, i GRBs sono potenziali emettitori gamma e la loro osservazione è tutt'oggi uno dei target primari per gli IACTs.

Materia oscura

La Materia oscura costituisce una delle più grandi sfide della cosmologia moderna e nonostante numerose evidenze osservative la sua natura rimane ancora sconosciuta. Diverse teorie di Fisica particellare, come i modelli di supersimmetria e i modelli extra-dimensionali, ipotizzano l'esistenza di nuove particelle considerabili buoni candidati di materia oscura che possono annichilire e/o decadere generando come prodotti finali positroni, neutrini, antiprotoni e raggi gamma. Proprio quest'ultimi, grazie all'osservazione di sorgenti astrofisiche contententi alte densità di materia oscura , come il centro galattico, le galassie nane satellite della Via Lattea e gli ammassi di galassie, possono essere rivelati dai telescopi IAC i quali costituiscono quindi strumenti cruciali per la caratterizzazione dello spettro di annichilazione/decadimento in banda gamma e per la determinazione della massa e sezione d'urto della particella di materia oscura.