Astronomia gamma
Storia dell’astronomia gamma
La banda energetica dei raggi gamma si estende su parecchi ordini di grandezza, da 100 keV a 1 TeV di energia. Poiché i fotoni vengono assorbiti dall’atmosfera l’astronomia ha cominciato a svilupparsi quando è stato possibile portare gli strumenti in orbita. Il campo di ricerca dell’astronomia utilizza due distinte metodologie di ricerca. La prima basata sull’uso di satelliti orbitali che consentono uno studio nella banda tra 100 keV e 100 GeV; la seconda riguarda fotoni con energia superiore a 100 GeV e può essere sviluppata anche dal suolo. Infatti, a quelle energie, un fotone riesce a penetrare parzialmente nell’atmosfera producendo una cascata di particelle in grado di produrre emissione Cherenkov nella direzione del raggio gamma primario. Questa emissione Cherenkov viene osservata per mezzo di speciali telescopi posti sulla Terra.
Lo sviluppo dell’astronomia gamma ha compiuto un notevole balzo in avanti nell’ultimo decennio grazie all’osservatorio orbitale Compton (CGRO) e alla missione russa Granat. L’astronomia gamma di altissima energia ha iniziato a svilupparsi alla fine degli anni ’80 quando vennero messe a punto le tecniche strumentali in grado di separare l’emissione Cherenkov da fotoni gamma da quella prodotta dagli sciami di particelle prodotte dall’impatto dei raggi cosmici con gli strati più alti dell’atmosfera. Da allora la tecnica è stata perfezionata (vedi documentazione sui telescopi gamma). I primi esperimenti atti a rilevare raggi gamma provenienti da sorgenti celesti (per esempio il Sole) furono tentati con palloni sonda o razzi balistici alla fine degli anni ’40 dal gruppo di Bruno Rossi. La vera nascita dell’astronomia gamma è da far risalire agli anni ’50 con le prime predizioni da parte dei teorici: nel 1952 Hayakawa predisse che raggi potessero essere emessi dal decadimento del mesone p0 prodotto dall’interazione dei raggi cosmici con la materia interstellare, nello stesso anno Hutchinson predisse emissione gamma da processi di bremsstrahlung coinvolgenti i raggi cosmici e la materia interstellare. Successivamente pubblicazioni di Burbridge, Fowler, Hoyle e Morrison fecero sperare che non sarebbe stato poi così difficile rilevare i raggi di origine cosmica. Le previsioni di quegli anni si rivelarono troppo ottimistiche: non a caso gli esperimenti con palloni sonda finirono col dare solo risposte negative.
Si dovette aspettare ancora un decennio di sviluppo tecnologico e soprattutto la possibilità di disporre di un satellite orbitante per fare un salto di qualità. Il lancio di Sputnik 1 nel 1957 aprì nuove prospettive, e soltanto 4 anni più tardi vennero rilevati i primi raggi di origine cosmica tramite il satellite della NASA Explorer 11.
Nel 1968 fu OSO-III che riuscì a misurare l’emissione gamma dalla galassia al di sopra dei 100 MeV di energia. In quegli anni, anche a causa della crisi cubana del 1963, i militari diedero un contributo enorme all’astronomia gamma con la messa in orbita della serie di satelliti Vela. I rivelatori di questi satelliti avevano l’amaro compito di verificare la possibilità che potenze nemiche potessero effettuare test nucleari clandestini, violando il trattato internazionale. Uno dei satelliti Vela nel 
1967 rivelò un’impressionante quantità di lampi gamma .La scoperta venne mantenuta segreta per alcuni anni e divulgata soltanto nel 1973 come fenomeno di origine astronomica.
Tra il 1960 e il 1970 parecchie sonde dedicate all’osservazione del Sole vennero lanciate dalla NASA (serie OSO). Esse trasportavano strumenti per rilevare raggi gamma tra 100 keV e 30 MeV. OSO-III lanciato nel marzo del 1967 rivelò 621 raggi gamma con energia maggiore di 50 MeV che risultarono concentrati sul disco della nostra galassia. Nell’agosto 1972 venne lanciato OSO-VII, satellite che per la prima volta mise in evidenza l’emissione gamma prodotta da un flare solare.
Il grande salto in qualità nella conoscenza dell’astronomia galattica ad alte energie è stato ottenuto con due satelliti: SAS-II della NASA e COS-B dell’ESA. SAS-II venne lanciato nel 1972 e fornì la prima mappa dettagliata dell’emissione gamma dovuta alla Via Lattea. Questo satellite capace di misurare raggi gamma con energia maggiore di 30 MeV, fornì il corretto profilo dell’emissione diffusa lungo il piano galattico e accese profonde discussioni sui raggi cosmici produttori di tale emissione, in particolare sulla loro provenienza. Il satellite europeo COS-B lanciato nel 1975 dalla base spaziale di Vandeberg in California era uno dei primi satelliti europei dedicato allo studio astronomico, il suo rivelatore era solo leggermente più grande di quello di SAS-II. La grande rivoluzione introdotta da COS-B deriva oltre dalla sua notevole precisione nel determinare il profilo galattico della radiazione diffusa nella nostra galassia ma anche dalla rivelazione di alcune sorgenti puntiformi. COS-B rivelò un’emissione gamma notevole dalla pulsar nella nebulosa granchio e da quella della Vela, la terza sorgente più luminosa del cielo gamma prese il nome di Geminga e rimase non identificata per oltre venti anni, quando si dimostrò che si trattava di una pulsar piuttosto vicina. COS-B permise di stilare un catalogo di 25 sorgenti celesti di esse una soltanto risultò essere una sorgente extragalattica: il quasar 3C273. Nel campo della spettroscopia a raggi gamma furono ottenuti risultati notevoli grazie al satellite HEAO-3 che riuscì anche a misurare nella regione centrale della via Lattea le righe di emissione a 1,809 MeV caratteristica del decadimento radioattivo dell’isotopo dell’alluminio 26Al.
Lo stesso spettrometro consentì un’accurata misura del profilo della riga a 511 keV emessa dale parti centrali della galassia e rilevò la presenza di una coda in continuo verso le basse energie. Lo spettrometro a scintillazione a bordo della missione Solar-Maximum Mission, lanciata nel 1981 e funzionante per nove anni, ha fornito per la prima volta importanti misure sull’emissione da parte dei brillamenti solari ad energie superiori ai 10 MeV.
La grande svolta dell’astronomia però avvenne negli anni ’90, quando vennero utilizzate piattaforme fornite di diversi strumenti di grande area, in grado di fornire una migliore risoluzione angolare. Il principale obiettivo di quegli anni era quello di studiare in dettaglio l’emissione degli oggetti galattici ma anche di stanare i primi oggetti extragalattici.
Nel 1989 venne lanciato il telescopio Sigma a bordo della navicella russa Granat. Sigma operava nella regione a cavallo tra i raggi X di alta energia e i gamma di bassa energia, il picco di sensibilità cadeva intorno ai 100 keV ma la grande innovazione di questo telescopio fu la risoluzione angolare che grazie all’utilizzo di una maschera ad apertura codificata raggiungeva lo straordinario valore di 10 primi d’arco, risoluzione modesta per un telescopio ottico ma che nei raggi gamma è davvero eccezionale. Venne principalmente osservato il centro galattico permettendo la scoperta di una grande varietà di oggetti.
Nel 1991 gli USA lanciarono la prima vera piattaforma orbitante dedicata all’astronomia gamma , l’osservatorio orbitale Compton (CGRO). L’osservatorio Compton osservò una grande varietà di oggetti galattici come pulsar, buchi neri, supernove, resti di supernove; il dettaglio delle osservazioni era eccezionale e permise di identificare nuove sorgenti. Il catalogo più recente di EGRET comprende 271 sorgenti puntiformi, la maggioranza delle quali ancora non identificata ad altre lunghezze d’onda. EGRET ha scoperto inoltre 7 gamma-ray pulsars ed ha identificato i blazar come una nuova classe di sorgenti gamma extra-galattiche. EGRET permise inoltre di avere per la prima volta una visione dell’universo extragalattico nei raggi gamma. Le osservazioni con l’osservatorio Compton, combinate con quelle radio e ottiche, consentirono di identificare l’emissione da parte di alcuni oggetti extragalattici, in particolare le emissioni furono associate sempre a galassie di Seyfert e a Quasar o Blazars; ciò spinse i teorici a migliorare i loro modelli dei nuclei di questi oggetti in funzione dei risultati osservativi ottenuti.
Un grande contributo dell’osservatorio Compton venne dato dalla rivelazione dei Gamma Ray Burst. Oltre 2000 GRB furono rivelati con una distribuzione isotropa in tutto il cielo, ciò implicava un’ origine extragalattica. La conferma di questa intuizione avvenne qualche anno più tardi grazie alla missione italiana Beppo-Sax. Si tratta di una missione di astronomia X ma l’anticoincidenza di uno dei telescopi X poteva essere usata anche come rivelatore per individuare i Gamma Ray Burst durante l’esplosione. Il telescopio X veniva poi rapidamente puntato nella stessa direzione del Gamma Ray Burst per studiare e identificare la luminescenza X del Burst fornendo agli osservatori ottici al suolo le coordinate necessarie per l’individuazione della controparte ottica. Con questo metodo si scoprì che Gamma Ray Burst svelati da Beppo-Sax venivano prodotti tutti in lontane galassie.
