Sull’Etna rilevati fotoni blu provenienti dallo spazio profondo

La Nebulosa del Granchio Credit: NASA

Era il 1989, quando il telescopio americano a singolo specchio Whipple, era riuscito a rilevare la prima sorgente galattica di radiazione gamma alle energie del TeV (circa mille miliardi di volte l’energia della luce visibile) della Nebulosa del Granchio, il primo oggetto (M1) del catalogo Messier; l’emissione proveniva  dalla nube di gas e polveri in espansione a velocità molto elevate a seguito dell’esplosione di una supernova nel 1054.  L’evento segnò l’inizio di una nuova era in campo astronomico, dando di fatto il via alla nascita dell’astronomia al TeV . Gli astronomi iniziarono a dare la caccia nel cielo alle sorgenti di altissime energie, arrivando  alla rilevazione di circa 200 sorgenti di raggi gamma da parte di alcuni strumenti  a terra come HESS, MAGIC e VERITAS.  A distanza di 30 anni, un nuovo traguardo in questo ambito, è stato raggiunto,  con il telescopio a due specchi Astri-Horn, posizionato sull’Etna! Ma andiamo per ordine.  Intanto cominciamo col parlare dei raggi gamma, di alta e altissima energia, che provengono dallo spazio profondo: essi possono attraversare senza problemi tutta la nostra galassia fino a quando, penetrati nell’atmosfera terrestre, si trovano a dover interagire con gli atomi e le molecole che trovano sul loro cammino. L’interazione dà origine ad uno sciame di particelle che si propaga attorno alla direzione di provenienza del fotone gamma primario. Le particelle dello sciame si muovono con velocità superiore alla velocità di propagazione della luce e questo provoca l’emissione di un brevissimo lampo di luce bluastra, detta radiazione Cherenkov dal nome del fisico russo Pavel Cherenkov, premio Nobel nel 1958, che per primo studiò il fenomeno.

Schema della formazione e della rivelazione del segnale Čerenkov a partire da un raggio gamma che interagisce con l’atmosfera. Fonte: fisica.uniud.it

L’emissione di radiazione Cherenkov è massima laddove il numero di particelle di sciame è più elevato; essa  è usata per determinare la direzione e l’intensità della sorgente dei raggi gamma causa dell’evento, attraverso i cosiddetti telescopi Cherenkov. Finora sono state adottate configurazioni ottiche che prevedono telescopi con un solo specchio, in cui la luce viene riflessa per essere catturata direttamente dalla camera di rilevazione, e un pesante rilevatore che limita il campo visivo. Ma è in atto una rivoluzione i n questo campo: nel 2014,  infatti,  presso la sede osservativa di Serra La Nave, sull’Etna,  gestita dall’Osservatorio Astrofisico di Catania, è stato inaugurato il telescopio ottico più grande sul territorio nazionale. Questo strumento è un prototipo che nasce all’interno di un progetto, proposto dall’INAF e approvato dal MIUR, denominato ASTRI, ovvero Astrofisica con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana. Il progetto ASTRI, a sua volta, fa parte del più ambizioso programma Cherenkov Telescope Array (CTA), il più grande osservatorio di raggi gamma al mondo, composto da 118 telescopi collocati tra l’emisfero nord e l’emisfero sud, in siti preposti appunto a questo tipo di particolare osservazione; questo importante progetto prevede lo studio da terra della radiazione gamma ad alta energia proveniente dai fenomeni più violenti dell’Universo: le sorgenti di questa radiazione comprendono pulsar, resti di supernova, galassie attive, sistemi binari con oggetti compatti, buchi neri e tutto ciò che emette energie superiori a 100 keV. L’osservatorio CTA raccoglierà quindi immagini della luce prodotta da ogni singolo evento gamma, approfondendo la conoscenza dei fenomeni non termici di alta energia, in modo tale da scoprire l’origine dei raggi cosmici, ancora misteriosa, ciò permetterà di rivelare e studiare più di 1000 oggetti celesti ad oggi ancora poco conosciuti.

Il prototipo ASTRI-Horn all’osservatorio Serra La Nave, sull’Etna. Fonte: etnalife.it

Il prototipo italiano in questione è stato chiamato ASTRI-Horn, in onore dell’astronomo italiano Guido Horn d’Arturo, che per primo propose la tecnologia degli specchi a tasselli in campo astronomico. E’ un telescopio dotato di uno specchio principale tassellato con un diametro di 4 metri e di uno specchio secondario monolitico, che ha un diametro di 1,8 metri. Il telescopio adotta per la prima volta una configurazione detta di Schwarzschild-Couder, per l’appunto a doppio specchio, che permette di ottenere un campo di vista maggiore; i due specchi mirano a riflettere, focalizzare la luce e fotografare in modo più omogeneo e senza distorsioni, un’area di cielo molto vasta; è fornito di una camera per raccogliere le immagini, che si avvale di un sistema elettronico di lettura e di registrazione molto innovativo, con dei sensori in silicio per ottenere osservazioni dei flash luce Cherenkov prodotti dall’interazione fra fotoni e atmosfera; la fotocamera è stata sperimentata all’INAF di Palermo. INAF ha inoltre sviluppato l’intera catena di analisi dei dati scientifici, attraverso i quali sarà possibile arrivare alle immagini astronomiche in raggi gamma. Il telescopio è stato puntato verso la Nebulosa del Granchio, una delle sorgenti più brillanti del cielo nello spettro X e gamma, che finora non ha mai dato segni di variabilità, anzi, proprio grazie alla costanza del suo flusso è stata sempre usata come sorgente di riferimento, una sorta di “candela” standard per l’astrofisica gamma, essendo la sorgente più luminosa nella nostra galassia con spettro di emissione ad alta energia. I più potenti telescopi terrestri e spaziali sono stati puntati a lungo, e più volte, sulla Nebulosa del Granchio, producendo sempre dettagliatissime immagini che spaziano dalle onde radio ai raggi X.

Immagini della Nebulosa del Granchio a diverse lunghezze d’onda Fonte: focus.it

Le osservazioni della Nebulosa del Granchio col telescopio ASTRI-Horn sull’Etna, sono state condotte tra il dicembre 2018 e gennaio 2019, in un periodo in cui la camera di rilevazione era in una fase ancora di collaudo, con funzionalità non del tutto complete; nonostante questo e nonostante la riflessione degli specchi parzialmente ridotta per via delle diverse eruzioni del vulcano, è stata dimostrata una significativa efficacia dei telescopi a due specchi, nell’intercettazione dei cosiddetti fotoni blu, che nascono dall’interazione dei raggi gamma con l’atmosfera terrestre. Obiettivo raggiunto, dunque, e anche con grande soddisfazione per un risultato che non ha deluso le aspettative degli astronomi e studiosi dell’INAF, i quali continueranno con i test e successivamente avvieranno  la costruzione di altri telescopi  da posizionare nel sito scelto per CTA nell’emisfero sud del pianeta.

Illustrazione della disposizione dei telescopi per il progetto CTA Fonte: media.inaf.it

Giovanni Pareschi, astronomo dell‘INAF-Milano e Principal Investigator del progetto ASTRI, ha dichiarato con orgoglio: “Il risultato ottenuto da ASTRI-Horn rappresenta un traguardo importante, ottenuto nell’ambito delle tecnologie per l’astronomia in raggi gamma da Terra. Dimostra che la configurazione a doppio specchio proposta originariamente dal grande astrofisico tedesco, Karl Schwarzschild, funziona in modo egregio e apre nuove frontiere osservative nell’ambito dell’astronomia in raggi gamma.”  Ha proseguito  poi affermando che: “Con i telescopi a due specchi è infatti possibile ottenere un campo visivo molto ampio pur mantenendo una configurazione molto compatta. Ciò permette l’uso di sensori innovativi a pixel piccolo e, in futuro, di osservare i raggi gamma di energia più alta, fino a qualche centinaia di TeV. L’utilizzo scientifico di telescopi a grande campo è di importanza fondamentale per l’astronomia gamma”. Insomma, un risultato molto incoraggiante quello ottenuto da ASTRI-Horn, che apre nuovi  orizzonti per l’astronomia in raggi gamma con tecnica Cherenkov  e telescopi a due specchi. Ancora una volta l’Italia in prima linea nel settore astronomico: la Galbiati Group è infatti  l’azienda che  ha interamente realizzato, in soli nove mesi, la costruzione meccanica del telescopio ASTRI, e negli anni ha collaborato con l’INAF alla progettazione e realizzazione di vari ed importanti strumentazioni. Questo ci fa sentire orgogliosi, ancora una volta, del lavoro di ricerca ed innovazione delle aziende e degli istituti italiani. 

 

Articolo di: Teresa Molinaro
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