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L'UNIVERSO INVISIBILE

L’osservatorio H.E.S.S.

 

Hess scandaglia la Grande nube di Magellano e trova qualche sorpresa

L’osservatorio H.E.S.S. è stato impegnato in una lunga campagna alla ricerca di emissione di radiazione gamma dal resto di supernova 1987A senza trovare emissione da questo oggetto. Spesso accade che, dopo avere cercato qualcosa di ben definito, alla fine si trovi altro. L’astronomia è piena di tali casi, ad esempio, Tom Bopp cercava l’ammasso globulare M22 e invece si imbatté casualmente nella cometa del secolo. Anche gli scienziati di H.E.S.S. sono stati felici vittime di casi di serendipity, infatti la prolungata ricerca dell’emissione gamma di 1987A, una supernova di tipo II nella Grande Nube di Magellano, ha portato alla scoperta di tre nuove sorgenti gamma del tutto inaspettate.

È la prima volta che sorgenti gamma stellari così lontane e appartenenti ad una galassia diversa dalla nostra vengono osservate emettere raggi gamma di altissima energia. Per due di esse l’emissione gamma non è stupefacente infatti si tratta di una pulsar wind nebula, come la Nebulosa del Granchio, e di un brillante resto di supernova.

La terza sorgente è la vera sorpresa, si tratta di una superbolla del diametro di circa 270 anni luce che è generata dai forti venti delle giganti blu e dei resti di supernovae passati.

La Grande Nube di Magellano è una galassia nana irregolare situata a 170.000 anni luce dalla Via Lattea con un tasso di formazione stellare maggiore di quello della Via Lattea e un tasso di mortalità delle giganti, le stelle che terminano la loro esistenza con l’esplosione di supernova, ben 10 volte maggiore rispetto a quello della nostra galassia.

In questo contesto il resto di supernova più recente è proprio 1987A e gli scienziati volevano misurare la sua emissione gamma. I quattro telescopi dell’osservatorio sono così stati puntati sulla Grande Nube di Magellano verso la nebulosa Tarantola ma, mentre 1987 A non veniva rivelata, nei dati apparivano tre nuove sorgenti.

La superbolla 30 Dor C è uno degli inviluppi più grandi conosciuti, probabilmente è stato creato dai violenti venti stellari delle giganti blu e dalle esplosioni di supernovae. Questa sorgente emette anche nei raggi X ed è stata osservata anche con XMM-Newton. Il gas caldo in espansione incontrando il mezzo interstellare accelera protoni e nuclei atomici grazie al meccanismo di Fermi e originando raggi cosmici di elevata energia, questi, a loro volta, producono radiazione gamma.

La PSR J0537-6910 è immersa nella nebulosa N187B che è risultata essere una sorgente gamma simile alla nebulosa del Granchio. Le due sorgenti sono prospetticamente vicine e per poterle distinguere sono state necessarie nuove tecniche di elaborazione dei dati H.E.S.S.

In un’altra regione della grande nube di Magellano è invece stato osservato il resto di supernova N132D.

Le osservazioni H.E.S.S. continueranno in futuro affiancate anche da un nuovo grande telescopio di 28 m chiamato H.E.S.S. II e, in un futuro non troppo lontano, anche il progetto CTA ha in agenda l’osservazione della grande nube di Magellano. Ciò ci permetterà di studiare con maggiori dettagli queste tre sorgenti e di porre dei limiti all’emissione dei resti di supernova giovani come 1987A.

 

Le nuove sorgenti scoperte con l’osseratorio H.E.S.S.

L’osservazione del cielo ad energie superiori ai 100 GeV è un utile indicatore di processi non termici, cioè di corpi celesti che fungono da acceleratori di particelle. Questo tipo di osservazione in realtà è assai problematica se effettuata dallo spazio, in particolare il numero di fotoni gamma di energia così elevata è talmente esiguo che è difficile ricostruire un’immagine con i dati provenienti da satellite. L’osservatorio HESS invece utilizza un rivelatore più grande: l’atmosfera della Terra. Ogni fotone che penetra nell’atmosfera rilascia un lampo ottico Cerenkov che il computer di Hess utilizzando il sistema di triangolazione con quattro telescopi converte in un punto corrispondente alla direzione di provenienza del fotone. Con il passare del tempo il computer ricostruisce fotone per fotone l’immagine di una sorgente sia puntiforme sia estesa. Sono diverse le sorgenti rilevate da HESS, la prima di esse è la sorgente gamma più famosa del cielo: la nebulosa del Granchio. Questa sorgente veniva rilevata con soltanto 30 secondi di esposizione come una sorgente puntiforme e non pulsante. Questa scoperta è di fondamentale importanza perché indica che ad energie così elevate non è la pulsar centrale ad emettere ma piuttosto l’interazione tra il vento di particelle prodotto dalla pulsar con il gas costituente la nebulosa.

In realtà sia con la nebulosa del Granchio sia con la prima sorgente estesa il sistema di telescopi non lavorava ancora a pieno regime. La sorgente X chiamata RX J1713.7-3946 venne scoperta come sorgente estesa nei raggi X dal satellite Rosat. Il suo spettro era caratterizzato da un’emissione continua, prive di righe sia in assorbimento che in emissione; la forma dello spettro indica che il meccanismo di emissione non è termico. L’immagine X fornita da ROSAT e dai satelliti per astronomia X ad esso successivi mostrano una struttura a guscio, dalla quale si può dedurre che il responsabile dell’emissione X non è la stella di neutroni centrale ma l’interazione tra i gas del guscio in espansione e il mezzo interstellare. In particolare, modelli piuttosto attendibili prevedono un’emissione di sincrotrone prodotta da elettroni con energie dell’ordine dei 100 TeV; questi stessi modelli prevedono anche emissione gamma in questa banda di energia. HESS venne utilizzato per la verifica di questa ipotesi nel periodo compreso tra maggio e agosto 2003 quando il telescopio era alla metà del suo completamento. Le osservazioni vennero effettuate con due soli telescopi e vennero affiancate soltanto due anni dopo da un’osservazione a strumento completato necessaria per la determinazione dello spettro di questa sorgente. Le immagini ottenute sono un risultato dei conteggi ottenuti in una regione del cielo centrata proprio sulla sorgente RX J1713.7-3946. Il rapporto tra il segnale ricevuto e il fondo dovuto ai raggi cosmici è di circa 20. La struttura a guscio osservata coincide sia in posizione sia in distribuzione spaziale con quanto osservato nei raggi X! Questa è la prima sorgente gamma identificata sulla base della sua morfologia oltre che per la possibile coincidenza in posizione. Il flusso globale misurato è risultato essere di 1,460,5410-7 fotoni m-2 s-1 corrispondente ad un flusso del 66% di quello ricevuto dalla nebulosa del granchio. Lo spettro, ottenuto un anno dopo, è descritto da una legge di potenza a coefficiente di 2,19 0,24 mentre l’energia emessa tra 1 TeV e 10 TeV è risultata essere circa un ordine di grandezza inferiore a quella non termica emessa banda X. RX J1713.7-3946 è situata nel piano galattico ed è uno dei resti di supernova galattici più brillanti nei raggi X. L’osservazione e l’analisi della morfologia dell’emissione nei raggi gamma conferma l’ipotesi che si tratta dell’interazione tra il vento di particelle generato dalla stella di neutroni al suo interno col mezzo interstellare, l’analisi spettrale sembrerebbe inoltre confermare la presenza di elettroni da 100 TeV responsabili sia dell’emissione gamma rivelata da HESS sia dell’emissione di sincrotrone osservata in banda X.

Un’altra sorgente identificata da HESS è la pulsar PSR B1259-63. è un sistema binario costituito da una stella gigante, con massa di oltre 10 volte quella del Sole che perde materia formando un disco di gas, e una pulsar al millisecondo, la PSR B1259-63 appunto, in orbita altamente eccentrica. La sorgente osservata da Hess appare ancora una volta puntiforme ma varia nel tempo. Queste variazioni che dipendono dalla posizione della pulsar nella sua orbita, dimostrano che l’emissione gamma è imputabile all’interazione tra il vento di particelle della pulsar e il gas rilasciato dalla stella gigante. Queste interazioni sono maggiori quando la stella di neutroni transita in prossimità del periastro producendo un maggiore flusso di fotoni gamma proveniente dalla nebulosa. Questo è la causa della variabilità rivelata da HESS. Durante le quattro ore di esposizione necessarie agli strumenti per rilevare la PSR B1259-63, è apparsa un’altra sorgente, questa volta non puntiforme. La nuova sorgente è la seconda sorgente estesa scoperta da HESS, presenta dimensioni di 0,2 e ha un’emissione costante. Si è cercata una controparte di questa sorgente finora senza successo. Questa è ancora una delle sorgenti non identificate da HESS.

Un’altra regione a cui gli astrofisici di HESS hanno rivolto la loro attenzione è il centro galattico. Poiché si ipotizza che nel centro galattico ci sia un buco nero supermassiccio di 2,6 milioni di masse solari, si ritiene che tale oggetto possa essere sorgente, insieme a resti di supernovae e a pulsar con venti stellari particolarmente energetici, di raggi gamma di alta energia. In effetti una delle motivazioni che ha portato alla costruzione di HESS in Namibia è la possibilità di osservare il centro galattico in condizioni ottimali. Le prime osservazioni del centro galattico vennero compiute nel 2003 con l’osservatorio ancora in fase di realizzazione, nonostante allora si potesse usare solo due telescopi venne rivelata emissione gamma nella direzione della sorgente Sagittarius A. L’elevata risoluzione spaziale delle immagini ottenute con HESS consentiva di stabilire che la sorgente gamma osservata in prossimità del centro galattico coincideva con Sagittarius A, la sorgente ritenuta il vero centro galattico. Una volta terminato l’intero osservatorio è stata condotta una ricerca di sorgenti gamma lungo il piano galattico. Sono state trovate 8 nuove sorgenti di raggi gamma di elevata energia. Le nuove sorgenti sono situate in prossimità del piano galattico, la latitudine galattica è compresa tra 0 e -0,5 un forte indizio che si tratti di sorgenti galattiche. Ulteriori verifiche propendono a favore di resti di supernovae e pulsar galattiche. Poiché queste sorgenti sono tutte sufficientemente estese per essere studiate in dettaglio, è stato possibile, con la straordinaria risoluzione di HESS, cercare le controparti.

 

 

Le ricerche condotte dal team di HESS hanno identificato le sorgenti HESS J1640-465, HESS J1834-087 e HESS J1804-216 come resti di supernovae. HESS J1640-465 è coincidente col resto di supernova SNR G338.3-0.0 che è un guscio aperto contenente una regione HII ultracompatta, HESS J1834-087 coincide col resto di supernova SNR G23.3-0.3, un guscio di circa 27 arcominuti. HESS J1804-216 coincide col bordo sudoccidentale del guscio della supernova SNR G8.7-0.1 alla quale è però anche associata la pulsar PSR J1803-2137. Questa sorgente è una sorgente probabilmente associata alla nebulosa eccitata dalle particelle di alta energia prodotte dalla pulsar interna. Le altre sorgenti di questo tipo sono HESS J1825-137 e HESS J1616-508. La sorgente HESS J1837-069 è invece associata ad una nebulosa diffusa sorgente di raggi x energetici scoperta dal satellite ASCA. Le ultime due sorgenti HESS J1813-178 e HESS J1614-518 non hanno mostrato controparti ad energie più basse. L’assenza di controparti ad energie più basse può essere interpretata con la possibilità di essere di fronte ad una nuova classe di oggetti acceleratori di particelle ad elevata energia (probabilmente nucleoni). Alternativamente, si potrebbe trattare di sorgenti molto assorbite visibili in raggi gamma di alta energia perché questi sono infinitamente più penetranti dei raggi X di energia minore di 10 keV.