Il cherenkov Telescope Array
Come fare astronomia gamma dal suolo
Abbiamo già definito in molte occasioni l’astronomia gamma come l’astronomia dell’impossibile, ancora una volta dobbiamo elencare le difficoltà che gli astronomi incontrano per rilevare l’emissione gamma dalle sorgenti celesti. I telescopi spaziali come Fermi o Agile, pur utilissimi fino ad energie di qualche decina di GeV, alle energie più elevate sono limitati dall’area di raccolta dei fotoni il numero dei quali si riduce all’aumentare dell’energia.
Il progetto CTA
Il Cherenkov Telescope Array è lo sviluppo naturale degli attuali osservatori Cherenkov già operativi. Il progetto è costituito da due osservatori, uno che verrà costruito nell’emisfero Boreale e l’altro nell’emisfero Australe. Sebbene non siano ancora stati decisi i due siti di collocazione degli osservatori, sono stati valutati diversi siti adatti per questa schiera di telescopi: nell’emisfero meridionale si contendono il primato il Cile e la Namibia, con il sito argentino all’inseguimento, mentre nell’emisfero settentrionale la contesa è tra Messico, Arizona e Isole Canarie.
Lo scopo dello strumento è compiere osservazioni profonde ed accurate del cielo tra qualche decina di GeV e 100 TeV, con l’obbiettivo di aumentare la sensibilità di almeno di un ordine di grandezza rispetto agli attuali strumenti e con la capacità di monitorare anche sorgenti rapidamente variabili come gli AGN.
Il progetto CTA prevede la costruzione di due osservatori dotati di un centinaio di strumenti distribuiti su un’area di diversi Km2. I telescopi non saranno tutti uguali. Per ottimizzare la risposta nelle diverse bande di energia, si stanno studiando strumenti di diversa dimensione. Infatti, nella banda di energia tra 10 e 100 GeV i fotoni non sono sufficientemente energetici da produrre un rilevante flusso Cherenkov e questo richiede l’utilizzo di telescopi di grande apertura. CTA prevedere 4 telescopi da 24 metri di apertura, dotati di una camera con risoluzione di 0,1 °. Ad energie comprese tra i 100 GeV e i 3 TeV i fotoni hanno una efficienza maggiore nel generare particelle secondarie in grado di produrre fotoni Cherenkov e si preferisce utilizzare un numero maggiore di telescopi con un’apertura di 12 metri dotati di camere con risoluzione di 0,18°. Ad energie maggiori di 3 TeV l’efficienza Cherenkov è massima ma il numero di fotoni è notevolmente ridotto; per coprire questa banda di energia si rende necessario l’utilizzo di un gran numero di telescopi di dimensioni relativamente piccole (4 m di diametro) posti a distanze molto grandi fino a coprire aree di qualche km2.
Le sorgenti osservate da CTA
Con CTA possono essere studiati tutti i fenomeni astrofisici di alta energia; si tratta di sorgenti galattiche ed extragalattiche nelle quali l’emissione nei raggi gamma viene prodotta da particelle energetiche quando interagiscono con campi magnetici, oppure con fotoni o altre particelle. Le osservazioni riguarderanno soprattutto i meccanismi che caratterizzano la morte di stelle massicce e il comportamento della materia nei pressi dei buchi neri supermassivi che dominano i nuclei galattici.
Tra le sorgenti più interessanti, sulle quali CTA potrebbe fare chiarezza, troviamo, prima di tutto, i resti di supernova. Il modello di Fermi, confermato dall’omonimo osservatorio, prevede la produzione e l’accelerazione di raggi cosmici di elevata energia dall’onda d’urto generata dalla supernova sul mezzo interstellare. Sebbene i meccanismi di accelerazione siano stati confermati dalla missione Femi, non è ancora chiaro se l’accelerazione dei raggi cosmici avvenga gradualmente su piccole distanze o agisca su distanze più grandi. CTA osserverà diversi resti di supernova con una risoluzione spaziale migliore di quella dei telescopi orbitali permettendo di affinare il modello di Fermi nei diversi casi. Inoltre le Pulsar Wind Nebulae, che circondano le pulsar, sono esse stesse sede di accelerazione e immagazzinamento di particelle molto energetiche; i telescopi Cherenkov attualmente operativi hanno messo in evidenza come le Pulsar Wind Nebulae vecchie siano generalmente più luminose ad energie dell’ordine del TeV rispetto ad altre bande energetiche, un fenomeno interessante e non ancora del tutto chiarito.
Le magnetosfere delle pulsar sono acceleratori cosmici molto efficienti; i modelli prevedono l’emissione per mezzo di complessi processi elettrodinamici e relativistici ma, purtroppo, non ci sono ancora osservazioni in grado di risolvere le discrepanze tra i diversi modelli, favorendone alcuni a scapito di altri. L’osservazione recente di queste sorgenti effettuate con MAGIC e il telescopio Fermi ha permesso di mettere in evidenza l’esistenza di una energia di soglia nello spettro di queste sorgenti, oltre tale energia l’emissione si riduce. Questo fenomeno punterebbe ad una popolazione di particelle accelerate all’interno del cilindro di luce, una superficie virtuale centrata sull’asse magnetico della pulsar. Naturalmente, per confermare questo modello, sono richieste osservazioni più dettagliate in modo da disporre di una statistica osservativa migliore che ci permette di discriminare un modello dall’altro.
Un altro tipo di sorgente osservabile con CTA sono le binarie costituite da un oggetto compatto ed una stella, si tratta di sistemi binari con una stella di neutroni o un buco nero. L’ipotesi maggiormente accettata descrive l’emissione gamma proveniente dal disco di accrescimento attorno all’astro collassato come generata dal surriscaldamento delle materia che questi astri compatti rubano alla propria stella compagna. La maggior risoluzione spaziale ci permetterà di studiare in dettaglio le condizioni all’interno del disco di accrescimento. In particolare, l’uso di CTA potrebbe permetterci di spiegare perché alcune di queste sorgenti si comportano come dei “microquasar”.
Mentre la maggior parte dei raggi cosmici sono accelerati all’interno dei resti di supernova, sono state anche avanzate delle ipotesi che vedono nei giovani ammassi stellari contenenti le stelle giganti blu delle possibili sorgenti di raggi cosmici. Le recenti osservazioni condotte con il telescopio Fermi hanno permesso di dare un’ulteriore conferma alle osservazioni effettuate con INTEGRAL e Agile rilevando emissione gamma dalla regione circostante Eta Carinae. La missione Fermi ha inoltre rivelato emissione di alta energia da parte di un certo numero di galassie vicine, per lo più di tipo starburst, dove la formazione stellare procede ad un tasso più elevato rispetto alle altre galassie. Si ritiene che l’emissione gamma sia dovuta alla presenza di amassi contenenti stelle giganti blue. Dal momento che telescopi Cherenkov al suolo hanno confermato questa emissione anche ad energie di oltre 1 TeV, ci aspettiamo che la maggior sensibilità di CTA permetterà di affinare le osservazioni e di aumentare il numero di galassie in cui questo fenomeno viene rilevato.
Il sistema CTA potrebbe regalare anche importanti scoperte sui nuclei galattici attivi (AGN), le regioni in prossimità dei buchi neri supermassivi che dominano i nuclei delle galassie, dove il gas si surriscalda emettendo raggi X e raggi gamma. In questa regione i campi magnetici possono convogliare materia in due lunghi getti contrapposti, in essi le particelle si muovono a velocità prossime a quella della luce e, interagendo con il campo magnetico avvitato nel getto, possono generare emissione gamma anche di elevata energia. I meccanismi mediante i quali si generano i due getti relativistici non sono ancora del tutto compresi, ma la rapida variabilità di queste sorgenti lascia intuire che i getti si generano in prossimità del buco nero centrale. CTA rileverà la parte più energetica dello spettro emesso da queste sorgenti che sono a distanze cosmologiche comprese tra z=0,3 e z=1, inoltre l’elevata sensibilità della schiera di telescopi permetterà di osservare BL Lac e Blazars con z maggiore o uguale a 2, permettendo di seguirne l’evoluzione in diverse età dell’universo. CTA permetterà anche di studiare in dettaglio la rapida variabilità di queste sorgenti.
Gli strumenti attuali permettono di registrare variazioni del flusso gamma su tempi scala di pochi minuti, ma, dal momento non è ancora stato osservato un limite nella rapidità delle variazioni registrate, non è chiaro se siano possibili variazioni più rapide di quelle note finora. L’elevata sensibilità di CTA ci permetterà di indagare la presenza di variazioni del flusso gamma più rapide e di quelle osservate con gli strumenti attuali e, forse, di porre un limite inferiore alle misure dei tempi di variazione, permettendo sia di stimare meglio le dimensioni della regione in cui si generano i due getti, sia di comprendere al meglio le condizioni fisiche in prossimità del buco nero centrale.
Una delle domande più importanti in cosmologia riguarda l’entità della luce diffusa del fondo extragalattico (EBL). Questa radiazione è generata dalle prime stelle e quindi si tratta di luce che per l’espansione cosmica si è spostata verso il rosso. I fotoni rossi della EBL interagiscono con i fotoni gamma estremamente energetici, che provengono dalle sorgenti lontane, producendo coppie elettrone – positrone e riducendo il flusso di raggi gamma energetici di queste sorgenti. Poiché la luce diffusa del fondo extragalattico è molto più debole dall’emissione della via lattea e dalla luce zodiacale non è possibile osservarla direttamente, tuttavia, osservando sorgenti gamma dello stesso tipo a distanze diverse, e correlando lo spettro con la distanza, è possibile stimare l’intensità del fondo extragalattico e avere informazioni importanti sulle prime stelle dell’universo.
I lampi gamma sono fenomeni improvvisi di breve durata scoperti dai satelliti dei militari americani Vela. Si tratta di stelle giganti con masse oltre le 30 o 40 masse solari che terminano la loro vita con una esplosione molto più luminosa di quella delle ordinarie supernovae. Per questo motivo, vengono chiamate ipernovae. In genere, queste stelle generano buchi neri. Esiste anche un’altra classe di lampi gamma: i lampi gamma brevi. Si ritiene che essi siano generati dalla coalescenza di stelle di neutroni. Fino ad ora nessun strumento ha mai osservato emissione ad energie maggiori di 100 GeV dai lampi gamma. Tuttavia, recenti osservazioni effettuate con Fermi fanno pensare che una piccola frazione dell’energia emessa da un lampo relativamente vicino possa essere rilevata da CTA. Questo permetterebbe di distinguere, nell’onda d’urto che genera i fotoni gamma, il contributo degli adroni da quello degli elettroni.
L’osservatorio CTA contribuirà anche allo studio degli ammassi di galassie. Si tratta di gruppi di galassie, nei quali le osservazioni radio combinate con le osservazioni X, fatte da Chandra e XMM-Newton, hanno messo in evidenza una forte emissione energetica di origine non termica. Con gli strumenti attuali è arduo valutare l’energia non termica emessa da questi ammassi. Tra gli obbiettivi di CTA c’è proprio la valutazione di questa componente. La componente gamma di questa emissione non è mai stata osservata ma si ritiene che CTA sarà in grado di farlo, permettendo di affinare la stima della componente non termica emessa. Inoltre una possibile fonte di emissione gamma da parte di questi ammassi potrebbe essere generata dall’annichilazione di materia oscura, CTA potrebbe essere in grado di osservare l’emissione gamma e di stabilire la componente dovuta alla materia oscura permettendo, per la prima volta, di stimare direttamente la quantità di materia oscura presente negli ammassi di galassie.
CTA potrebbe fornire anche un importante contributo alla ricerca della materia oscura. Le osservazioni della radiazione di fondi nelle microonde ci permettono di concludere che solo il 4% dell’universo è costituito ma materia barionica (simile a quella della quale siamo fatti noi, i pianeti, il sole e tutte le stelle), il restante 96% è composto da materia oscura ed energia oscura. Si pensa che la materia oscura presente nelle buche di potenziale gravitazionale delle singole galassie o degli ammassi di galassie possa generare un flusso gamma di annichilazione sufficiente per essere rilevato con CTA. L’analisi spettrale in banda gamma può essere utile a tale scopo, infatti le particelle di materia oscura in moto lento possono interagire e annichilirsi generando righe spettrali che dovrebbero cadere nella banda gamma. L’osservazione di una riga in emissione nello spettro gamma sarebbe la prima rivelazione diretta della materia oscura che, fino ad ora, si può vedere solo attraverso l’effetto che fa sulla materia visibile.
I fotoni osservati da CTA sono fotoni gamma energetici. Alcuni di questi fotoni possono transitare vicino a astri collassati come buchi neri, nuclei galattici, stelle di neutroni. In queste regioni lo spaziotempo è deformato. Alcune teorie di gravità quantistica prevedono una variazione della velocità della luce in presenza di grosse perturbazioni dello spaziotempo, tale variazioni dipendono dall’energia del fotone e, per i fotoni di energia ultra alta rivelati da CTA, possono risultare significative. Ecco che CTA può diventare lo strumento ideale per verificare la teoria di gravità quantistica.
CTA permette di fare osservazione in una banda ampia di energia, ciò è possibile tramite una schiera di telescopi organizzati in tre diverse classi:
- Il Large Size Telescope, costituito da un paraboloide di 25 metri
- Il Medium Size Telescope, anch’esso è un paraboloide ma con specchio da 12 metri
- Lo Small Size Telescope con specchi del diametro di 4 metri
I telescopi più grandi hanno il compito di osservare il cielo nella banda di energia più bassa, cioè a partire da qualche decina di GeV. I telescopi più piccoli possono aumentare la capacità di raccolta aumentando la distanza tra di essi, infatti dovendo lavorare ad energie più elevate si deve disporre di un’area di raccolta maggiore perché il numero di fotoni si riduce drasticamente.
Il contributo Italiano
L’Italia partecipa attivamente al CTA attraverso l’Istituto Nazionale di Astrofisica e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare oltre ad alcune università. La persona di riferimento per la partecipazione INAF a CTA è Patrizia Caraveo che è anche il rappresentante italiano nel Resource Board insieme al Direttore Scientifico di INAF Paolo Vettolani. L’INAF porta avanti il progetto CTA fornendo piccoli telescopi di nuova concezione. Il prototipo di tali telescopi è stato finanziato dal progetto Bandiera ASTRI del MIUR ed è in costruzione nel sito osservativo dell’Osservatorio di Catania a Serra La Nave dove sarà inaugurato alla fine di settembre 2014. Subito dopo inizierà la campagna di test degli specchi e dello strumento di piano focale che rivelerà di brevissimi lampi di radiazione Cherenkov. L’obbiettivo del progetto bandiera ASTRI, che è ora affiancato dal progetto premiale TECHE.it, è quello di costruire una mini-schiera di 5-7 piccoli telescopi da installare nel 2016 presso la postazione osservativa CTA-sud.
Il telescopio che scruterà l’universo più violento, Le Stelle, giugno 2012 (file PDF)
Brochure CTA (file PDF)
