Sono lontani i tempi in cui gli astronomi studiavano i cieli solo con semplici telescopi ottici. Oggi, svelare i misteri dell’Universo coinvolge strutture sempre più grandi e complesse che rilevano cose come onde gravitazionali e diverse forme di radiazione elettromagnetica, lo spettro di energia che include luce visibile e raggi X.
Una branca dell’astronomia particolarmente specializzata è l’astronomia a raggi gamma. Fa quello che dice, cerca i raggi gamma, che sono i fotoni (particelle di luce) più energetici dello spettro elettromagnetico. In effetti, sono milioni di volte più energici della luce che possiamo vedere.
In astronomia, i raggi gamma sono prodotti da alcuni degli eventi più caldi ed energetici dell’universo, come esplosioni di stelle e buchi neri che si “nutrono” violentemente della materia circostante. Mentre i raggi gamma sono ora collegati a dozzine di diversi tipi di sorgenti, in molti casi non sappiamo ancora in modo definitivo quali tipi di particelle energetiche stiano creando questi raggi.
Emozionante, l’astronomia dei raggi gamma dovrebbe ottenere un enorme vantaggio con una nuova struttura. Una volta che il Cherenkov Telescope Array (CTA) distribuito a livello globale sarà completo, visualizzerà il cielo di raggi gamma con una sensibilità dieci volte superiore a quella attualmente possibile.
Con più di 60 telescopi, il CTA dovrebbe fornire una visione approfondita della natura della materia oscura, un tipo di materia invisibile e ipotetico che costituisce circa l’85% della massa dell’Universo. L’array potrebbe anche aiutare a risolvere uno dei misteri più longevi dell’astronomia: da dove provengono le particelle di raggi cosmici (nuclei energetici ed elettroni nella nostra galassia e oltre). Questi raggi sono collegati a queste particelle, fornendo un mezzo per rintracciarle.
Lampi dallo spazio
L’astronomia a raggi gamma è nata nei primi anni ’60 quando i satelliti spaziali sono stati sviluppati per cercare la radiazione energetica dallo spazio.
La missione Fermi della NASA, lanciata nel 2008 in un’orbita terrestre bassa, ha finora catalogato diverse migliaia di sorgenti di questi tipi di raggi. La sonda Fermi continua a fornire una copertura in diretta del cielo 24 ore su 24, misurando i raggi gamma con energie che raggiungono diversi 1.000 giga-elettronvolt di energia. È circa un trilione di volte l’energia della luce visibile.
Per studiare questi raggi con energie ancora più elevate, abbiamo bisogno di utilizzare metodi terrestri. Sebbene l’atmosfera terrestre ci protegga dalle radiazioni provenienti dallo spazio esterno, possiamo ancora rilevare gli effetti secondari di questa schermatura sul terreno.
Questo perché quando un raggio gamma interagisce con l’atmosfera terrestre, innesca una cascata elettromagnetica o “pioggia d’aria” di oltre un miliardo di particelle secondarie. Queste particelle sono per lo più elettroni e i loro partner antimateria, chiamati positroni. Queste docce d’aria contribuiscono per circa il 30-50% della radiazione naturale che sperimentiamo nella nostra vita.
Rendere visibile l’invisibile
Mentre nulla può andare più veloce della velocità della luce nel vuoto, le particelle cariche come elettroni e positroni (antielettroni) possono effettivamente muoversi più velocemente della luce quando si muovono nell’aria.
Quando ciò accade, viene creata un’onda d’urto come un lampo di luce blu e ultravioletta. Questo lampo, chiamato radiazione Cherenkov, prende il nome dal fisico sovietico Pavel Cherenkov che per primo rilevò il fenomeno nel 1934 (e ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1958 insieme a due colleghi). Il bagliore blu della radiazione Cherenkov può essere visto negli stagni di raffreddamento ad acqua che circondano i reattori nucleari.
A livello del suolo, telescopi con grandi specchi e telecamere sensibili possono rilevare la luce Cherenkov prodotta da un raggio gamma che colpisce la nostra atmosfera. Queste fotocamere hanno bisogno di circa dieci nanosecondi per catturare un flash Cherenkov sullo sfondo luminoso della luce delle stelle e della luna.
I primi telescopi Cherenkov furono sviluppati negli anni ’60. Dopo molte varianti, fu il Whipple Telescope negli Stati Uniti che nel 1989 scoprì i fotoni di raggi gamma provenienti dalla Nebulosa del Granchio.
Questa è stata la prima volta che sono stati rilevati questi tipi di raggi con energie superiori a 1.000 giga-elettronvolt (o 1 tera-elettronvolt, TeV). Nacque così l’astronomia dei raggi gamma teraelettronvolt.
Alla ricerca degli estremi
Oggi, tutte e tre le migliori strutture di raggi gamma TeV del mondo – HESS in Namibia, MAGIC a La Palma, in Spagna e VERITAS in Arizona – hanno scoperto più di 200 sorgenti di raggi gamma TeV. Questi potenti raggi sono collegati a regioni cosmiche di accelerazione delle particelle, come pulsar, resti di supernova, massicci ammassi stellari e buchi neri supermassicci nella Via Lattea e in altre galassie.
HESS ha dimostrato che la nostra galassia, la Via Lattea, è ricca di “luce” di raggi gamma TeV, anche al centro della galassia.
I raggi gamma TeV sono anche visti da misteriosi lampi di raggi gamma e altri eventi fugaci e transitori. Questi stanno ora informando la nostra comprensione delle condizioni estreme in cui vengono creati i raggi gamma.
Il CTA di prossima generazione utilizzerà le lezioni apprese da HESS, VERITAS e MAGIC, estendendo il numero di telescopi dispiegati a terra a oltre 60 telescopi. CTA utilizzerà anche una combinazione di tre diverse dimensioni del telescopio ottimizzate per tre bande di energia dei raggi gamma, fornendo prestazioni e “nitidezza” senza precedenti.
Avrà array in due siti a terra: uno a Paranal, in Cile (51 telescopi) nell’emisfero australe, e uno a La Palma (13 telescopi) nell’emisfero settentrionale.
CTA ha attirato l’adesione di oltre 1.000 scienziati. Sta procedendo bene, con il primo telescopio settentrionale che sta già rilevando raggi gamma dalla Nebulosa del Granchio e diversi bagliori di raggi gamma da galassie attive alimentate da buchi neri supermassicci.
Entro pochi anni ci aspettiamo di vedere anche i primi telescopi meridionali rilevare questi tipi di raggi, portando a molte altre scoperte. Con CTA, avremo nuove intuizioni su dove sta avvenendo un’accelerazione estrema delle particelle nella nostra Via Lattea.
Autore
Gavin Rowell, Università di Adelaide
