Il cielo a tutte le frequenze
Il cielo visto attraverso i raggi X
Con l’osservazione dell’universo nei raggi X introduciamo l’astrofisica delle alte energie, chiamata così a causa delle elevate energie dei fotoni. Le osservazioni ci danno un’immagine del cielo del tutto nuova, poiché gli oggetti più brillanti sono caratterizzati da fenomeni violenti e assai energetici. Anche le tecniche di osservazione sono molto diverse da quelle utilizzate per la luce visibile, anzitutto occorre andare oltre il guscio protettivo dell’atmosfera, poi la lunghezza d’onda in questa banda di energia è dell’ordine dei 0,1 nm, corrispondenti alle distante interatomiche dei solidi, per tale motivo i raggi X risultano assai penetranti nella materia e non obbediscono all’ottica geometrica. Quindi per costruire un telescopio a raggi X dovremmo utilizzare particolari accorgimenti.
Quali oggetti emettono raggi X?
L’emissione X dai corpi celesti può essere provocata tanto da processi termici quanto da processi non termici. I processi termici sono dovuti ad oggetti caldissimi con temperature di oltre 100000 °K fino ad alcuni milioni di °K; processi non termici sono la radiazione di sincrotrone, prodotta da elettroni energetici presenti nei resti di supernova, dallo scattering Compton inverso e da bremsstrahlung, ossia da radiazione di frenamento coinvolgenti elettroni medio-energetici.
Grazie a questa ampia gamma di processi vi saranno parecchie classi di oggetti emettitori di fotoni X. L’emissione termica dei raggi X è principalmente dovuta alle nane bianche e alle corone stellari (compreso il nostro sole ); le emissioni coinvolgenti le particelle tramite radiazione di sincrotrone, bremsstrahlung e Compton inverso sono prodotte dalle stelle di neutroni, dai resti di Supernovae, dai dischi di accrescimento. Ancora l’emissione termica è la principale causa dell’emissione X del disco di accrescimento di un buco nero, infatti il gas precipitando nel buco nero rilascia energia gravitazionale sotto forma di energia cinetica che a causa della viscosità e del moto turbolento del gas stesso viene trasformata in energia termica. Il disco raggiunge allora temperature anche superiori al milione di °K, emettendo raggi X. Protagonisti di questa emissione sono naturalmente i buchi neri appartenenti a sistemi binari o posti al centro dei nuclei galattici attivi.
Anche le galassie normali sono visibili in raggi X. Infine, osservazioni X di ammassi di galassie hanno dimostrato che gli ammassi sono avvolti in una tenue nube di gas alla temperatura di alcuni milioni di °K.
L’osservazione nei raggi X delle stelle Come funziona un telescopio a raggi X Come vengono rilevati i fotoni X I rivelatori di raggi X: approfondimento
Storia dell’astronomia X
L’astronomia X dopo una storia iniziale travagliata sbocciò grazie all’ingegno di due scienziati italiani immigrati negli USA: Bruno Rossi e Riccardo Giacconi. La prima osservazione astronomica nei raggi X risale al 1948 quando un gruppo di scienziati americani riuscì a misurare l’emissione X da parte del Sole grazie a una V2 ricostruita; i risultati di questa osservazione smorzarono l’elevato entusiasmo della comunità scientifica perché il Sole presentava una luminosità 100000 volte minore nei raggi X rispetto alla luminosità ottica facendo pensare ad una scarsa luminosità X per tutti gli oggetti celesti.
Nonostante questi risultati piuttosto deludenti, agli inizi degli anni ’60 Giacconi e Rossi discutevano sui metodi e sulle opportunità per rilevare emissione di raggi X dalla Luna. I due ricercatori dell’American Science and Engineering erano molto ansiosi e proposero di porre il loro contatore Geiger a bordo di un missile Aerobee, un’ulteriore evoluzione di una V2 tedesca utilizzato per scopi scientifici. I risultati di questo lavoro dovevano diventare una pietra miliare della storia dell’astronomia. Nella notte tra il 18 e il 19 giugno 1962 un contatore Geiger del gruppo di Giacconi a bordo di un razzo Aerobee scopriva la prima sorgente X celeste battezzata Scorpio X-1 e una radiazione X diffusa presente in tutto il cielo mentre non vedeva nulla dalla Luna. L’anno successivo Giacconi propose alla NASA di realizzare un satellite dedicato all’osservazione del cielo nella banda X. La NASA accettò la proposta di Giacconi e nel 1966 diede inizio alla costruzione del satellite che venne lanciato nel 1970 dal poligono di lancio San Marco in Kenia in onore del quale fu battezzato UHURU che in lingua Swahili significa "libertà".
UHURU disponeva di contatori proporzionali che permisero di scoprire 339 nuove sorgenti X. Tra di esse non c’erano solo sorgenti galattiche ma anche sorgenti extragalattiche. Sotto la spinta del successo di UHURU la NASA approvò altre due missioni dedicate all’astronomia X: HEAO-1 ed HEAO-2 ribattezzata successivamente "Einstein". Il primo satellite disponeva ancora di contatori proporzionali molto più sensibili di quelli di UHURU, ciò permise di effettuare per la prima volta una misura precisa dell’emissione X delle sorgenti extragalattiche come i quasar e le galassie di Seyfert. 
Il secondo satellite presentava un’innovazione straordinaria, infatti faceva uso di specchi ad incidenza radente che consentivano di focalizzare su un rivelatore i raggi X ottenendo un’immagine della sorgente analoga a quella ottenuta con telescopi ottici. Il satellite Einstein venne lanciato nel 1978 e permise di ottenere informazione importanti sulla distribuzione delle sorgenti X nella nostra galassia ed in quelle esterne.
Nel 1983 l’agenzia spaziale europea lanciò EXOSAT su un’orbita molto ellittica. Questo fu il primo satellite per l’astronomia X dell’ESA, i suoi pregi erano dovuti principalmente al lungo periodo orbitale che consentiva l’osservazione della stessa sorgente per alcuni giorni. Il principale merito scientifico del team di EXOSAT è stato quello di aver studiato la variabilità della luminosità X delle sorgenti osservate. Alla fine degli anni ’80 anche il Giappone contribuì all’avanzamento dell’astronomia X.
Nel 1987 venne lanciato il satellite GINGA, raggiunto, 6 anni più tardi dal satellite ASCA. I due satelliti contribuirono per la prima volta a svelare dello spettro in emissione X da parte dei nuclei galattici attivi. Nel 1990 una fruttuosa collaborazione Tedesco - Americana portò al lancio di Roentgen SATellite (ROSAT). ROSAT disponeva di un telescopio molto più grande di quello di Einstein, anche i rivelatori di piano focale erano molto più sensibili. ROSAT consentì di stilare un grande catalogo di 150000 sorgenti X. Tra le più importanti scoperte effettuate con ROSAT possiamo annoverare la scoperta di forte emissione X da alcuni nuclei galattici attivi e da ammassi di galassie, avvolti in un gas rarefatto e così caldo da emettere termicamente raggi X. Rosat ha anche permesso di studiare la morfologia di emissione X diffusa circostante le stelle di neutroni più vicine, fornendo ai teorici importanti indicazioni sui processi di trasferimento dall’energia rotazionale di una stella di neutroni all’ambiente esterno.Alla fine del 1995 la NASA lancia lo X-ray Timing Explorer che diventa RXTE in onore di Bruno Rossi, uno dei pionieri dell’astronomia X.
Nel 1996 L’Agenzia Spaziale Italiana lancia il Satellite Italiano per l’Astronomia X che diventa Beppo-Sax in onore, ed in ricordo, di Giuseppe (Beppo) Occhialini, uno dei padri fondatori dell’astrofisica delle alte energie in Italia. Sax fu il primo satellite dotato contemporaneamente di un telescopio X e di rivelatori nei raggi gamma. Questa dotazione gli permise di effettuare eccezionali scoperte. In particolare, Beppo-Sax osservò i Gamma Burst prima nei raggi gamma e poco dopo anche nei raggi X, consentendo di ridurre l’errore di posizione dell’evento e di ricercare l’eventuale controparte ottica. Sax ha anche consentito di ottenere anche importanti progressi nello studio dell’emissione dai buchi neri e dai nuclei galattici attivi. Beppo-Sax ha cessato di funzionare nell’aprile 2002 ed è rientrato nell’atmosfera un anno dopo.
Attualmente sono quattro i telescopi per raggi X in attività, il primo è Rossi XTE il secondo fu lanciato nel luglio 1999 dalla NASA col nome di AXAF poi ribattezzato Chandra in onore al grande fisico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar. Chandra dispone di uno specchio ad incidenza radente del diametro di un metro che fornisce un’invidiabile risoluzione, paragonabile a quella ottica, nelle immagini. Nel dicembre 1999 l’agenzia spaziale europea (ESA) lancia X-ray Multi Mirror satellite (XMM). 
Si tratta di un telescopio X con tre specchi ad incidenza radente, ciascuno del diametro di 60 cm. Le potenzialità di XMM sono legate alla elevata sensibilità dello strumento EPIC che gli consente di ottenere immagini e spettri di elevata qualità. Questi due telescopi stanno rivoluzionando le nostre conoscenze nell’emissione nei raggi X, in particolare hanno permesso di scoprire che l’emissione X del gas intergalattico negli ammassi si concentra verso quelle galassie che presentano eccessi di emissione X dovuta ad un eccesso di resti di supernovae, questo è un importante indizio a favore dell’ipotesi indicante il gas caldo degli ammassi galattici come prodotto da un’impressionante quantità di esplosioni di supernovae. Un’altra notevole scoperta riguarda invece il fondo X scoperto nel 1962 da Giacconi che è risultato essere prodotto da una miriade di debolissime sorgenti X. Il quarto telescopio X è a bordo dell’osservatorio INTEGRAL dell’Agenzia Spaziale Europea; si tratta del telescopio Jem-X che osserva nei raggi X duri utilizzando una maschera codificata.
Per il prossimo futuro, la NASA prevede di lanciare nel marzo 2012 la missione NuSTAR , si tratta di una missione con telescopi di nuova generazione in grado di focalizzare i raggi X di maggiore energia. NuSTAR avrà il compito di fare maggiore chiarezza sulle condizioni chimico e fische presenti in prossimità dei buchi neri e delle stelle di neutroni. Sempre la NASA, in collaborazione con l’ESA e l’agenzia spaziale giapponese stanno progettando un grande osservatorio X internazionale che permetterà di ottenre immagini a risoluzioni ancora maggiori. La missione, per il momento battezzata IXO, verrà posta nel punto lagrangiano L2 in modo da ottenere la schermatura della Terra dalle radiazioni solari.
Il poster di XMM
