Astronomia gamma
L’osservatorio Integral
INTEGRAL sta per INTErnational Gamma Ray Astrophysical Laboratory ed è una missione di astronomia gamma tra diversi paesi europei, gli Stati Uniti e la Russia. Si tratta di un satellite molto grande, pesante e complesso, è stato lanciato da un razzo Proton di fabbricazione russa dalla base di Baikonur in Kazakhistan il 17 ottobre 2002. La strumentazione a bordo di questo satellite è di primo ordine per studio dei raggi gamma soffici, ma la stessa strumentazione è assai delicata e la sua sensibilità rende inutilizzabile il satellite quando è immerso nelle fasce di radiazione di Van Allen. Per limitare i transiti in queste fasce di radiazioni e sopratutto per ridurre i tempi di transito in esse a non oltre il 10% del periodo orbitale i 7000 Kg di INTEGRAL sono stati immessi su un’orbita del periodo di 72 ore con perigeo a circa 10000 km e apogeo a 153000 km.
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La strumentazione di bordo
La strumentazione di INTEGRAL è costituita da 2 strumenti principali e 2 strumenti di supporto, i due strumenti principali sono il telescopio a raggi gamma IBIS e lo spettroscopio a raggi gamma SPI, a questi due strumenti fanno da supporto il telescopio a raggi X JEM-X e un telescopio ottico OMC che hanno il compito di fornire un notevole supporto per l’identificazione in diverse bande energetiche della l’orbita di INTEGRAL sorgente gamma. Tutti gli strumenti di INTEGRAL funzionano contemporaneamente osservando la stessa regione del cielo.
Il telescopio IBIS
IBIS cioè Imager on Board Integral ha fornito le immagini più dettagliate e nitide di qualsiasi altro telescopio gamma che sia stato lanciato fino ad ora operante nella stessa banda di energia. Le capacità di IBIS sono tali da permettere di ottenere immagini con una risoluzione di 12 arco minuti, consentendo di identificare la sorgente gamma. La sensibilità del rivelatore consente di ottenere immagini di sorgenti emittenti nell’intervallo tra 15 keV e 10 MeV sia che questi emettano nel continuo o che emettano righe spettrali con uno sfondo gamma nel continuo prodotto da altre sorgenti. IBIS è dotato di una maschera codificata di tungsteno ottimizzata per ottenere un’elevata risoluzione angolare, a tale scopo è stata frapposta tra le sorgenti e il rivelatore ad una distanza di 3,2 metri da esso.
Poiché i fenomeni di diffrazione dei raggi gamma prodotti dalla maschera codificata sono trascurabili (la lunghezza d’onda dei raggi gamma è di parecchi ordini di grandezza inferiori alle dimensioni delle aperture della maschera codificata) la risoluzione angolare dello strumento dipende sostanzialmente dal numero di piccoli elementi sensibili presenti sul rivelatore chiamati col termine anglosassone “pixel”. Il rivelatore di IBIS è costituito da due piani di pixels posti uno sopra l’altro e distanti 90 centimetri, il piano superiore chiamato ISGRI è costituito da 16384 rivelatori al tellurio di cadmio (CdTe) in grado di coprire una superficie totale di 2600 cm2, ciascun pixel misura 4x4x2 millimetri. Questo strato ha il compito di rilevare i raggi 
gamma di bassa energia. Il secondo strato (PICsIT) consiste in 4096 elementi sensibili di ioduro di cesio (CsI) ciascuno di 9x9x30 millimetri e coprenti 3100 cm2, a questo strato è invece fornito il compito di rilevare i raggi gamma di maggior energia. La suddivisione in due strati del rivelatore di IBIS ci fornisce parecchie possibilità concrete di ricerca, in particolare per quei fotoni a cui i due strati rivelatrici risultano sensibili è possibile ricostruire il loro percorso tridimensionale. Uno scudo protettivo avvolge lo strumento con il compito di discriminare i fotoni gamma prodotti dai raggi cosmici impattanti sulla struttura del satellite da quelli provenienti dalle sorgenti celesti.
Lo spettroscopio SPI
Lo spettroscopio SPI (SPectrometer on Integral) misura l’energia dei raggi gamma con precisione eccezionale, è almeno 100 volte più sensibile che i precedenti strumenti spaziali adibiti alla risoluzione spettrale nei raggi gamma. SPI effettua ; un’analisi spettrale dei fotoni gamma nella regione compresa tra 20 keV e 8 MeV con una risoluzione mai raggiunta prima. Ciò è possibile grazie a 19 rivelatori esagonali al germanio puro raffreddati ad una temperatura di 85 K (-188 °C). L’area totale del rivelatore è di 500 cm2 mentre ad 1,7 metri dal rivelatore si trova una maschera codificata a tasselli esagonali con l’obbiettivo di ottenere misure spettrali e immagini di un’ampia area del cielo. Questa maschera codificata
da 127 elementi esagonali di tungsteno spessi almeno 3 centimetri ei quali 63 sono opachi mentre i restanti 64 sono trasparenti. I rivelatori sono anche schermati da uno scudo di cristalli di ossido di bismuto germanato, questo sistema deve funzionare come anticoincidenza, cioè ci permette di escludere tutti i fotoni gamma spuri che non provengono dalle sorgenti esaminate.
Il telescopio JEM-X
Il Joint European X-Ray Monitor (JEM-X) è uno strumento di supporto alla missione INTEGRAL, nonostante ciò copre un ruolo fondamentale in questa missione nell’identificazione delle controparti X delle sorgenti gamma osservate. JEM-X effettua osservazioni simultanee con il telescopio IBIS e lo spettroscopio SPI fornendo immagini nella banda di energia compresa tra 3 e 35 keV con una risoluzione angolare di 3 arcominuti. JEM-X è composto da due strumenti identici e come IBIS utilizza il sistema delle maschere codificate per ottenere immagini, le due maschere codificate di JEM-X sono poste a 3,2 metri dal piano del rivelatore. Il rivelatore consiste di due camere identiche con gas ad alta pressione, il gas è un miscuglio di Metano e Xeno con pressione di 1,5 atmosfere. 
Quando un raggio X incide sulla camera a Xeno si libera un elettrone che viene accelerato dal campo elettrico presente nel rivelatore, successivamente questo elettrone acquisterà energia a sufficienza da strappare molti elettroni che andranno a caricare dei fili sul rivelatore. Dalla misura della carica elettrica depositatasi si può determinare l’energia del raggio X. La struttura assunta dai fili in JEM-X è quella di fili incrociati (formano una specie di ragnatela) in modo che determinando quali fili si caricano è possibile risalire alla posizione del fotone X. L’area sensibile di JEM-X con questo sistema è di 1000 cm2.
Il telescopio OMC
Questo strumento è una camera ottica a bordo di INTEGRAL col compito di fornire immagini in tempo reale degli oggetti osservati nei reggi gamma. Questo piccolo telescopio è installato sulla parte superiore del satellite e consente di riprendere stelle fino alla magnitudine di 19,7. 
Si tratta di un rifrattore standard con obbiettivo da 5 cm con un CCD in grado di raccogliere immagini di 1024x1024 pixel. Questo CCD è inserito nel piano focale della lente ed è fornito di un filtro V di Johnson che limita la lunghezza d’onda tra i 500 nm e gli 850 nm. Il sensore CCD consiste di elementi chiamati pixel che quando investiti da fotoni emettono elettroni che una volta accelerati forniscono una corrente. Dalla misura della corrente si ricava il flusso incidente su quel pixel, in tal modo ricostruendo il flusso luminoso incidente per ogni pixel possiamo riprodurre su monitor l’immagine stellare. Per ridurre anche il rumore termico il sensore viene raffreddato a -80°C.
Il funzionamento delle maschere codificate
Dato l’attuale sviluppo tecnologico e sperimentale i raggi gamma non possono essere focalizzati con lenti e specchi, per ottenere un’immagine in raggi gamma del cielo si utilizza una forzatura sperimentale chiamata tecnica delle maschere codificate. Essa consiste nel rilevare non la sorgente ma l’ombra relativa ad una sorgente e prodotta da una maschera piazzata su un telescopio gamma e costituita, come nel caso di INTEGRAL, da elementi trasparenti e non trasparenti.
Il materiale con cui la maschera codificata è prodotta è così denso da impedire il transito dei fotoni gamma, su INTEGRAL le maschere sono costruite con tungsteno. Ciascuna sorgente puntiforme produce una sequenza di ombre e conteggi di fotoni gamma, la sequenza di ombre prodotta da una certa regione del cielo prende il nome di shadowgramma e può essere ricostruita al calcolatore con complessi algoritmi matematici simulando un certo numero di sorgenti puntiformi in alcune posizioni della porzione di cielo osservato.
Il grande vantaggio della tecnica della maschera codificata consiste nel migliorare la risoluzione angolare dell’immagine e eliminando completamente il background il quale non avendo ombra e non presentando correlazione con la conformazione della maschera sfuocata non viene nemmeno presa in considerazione dagli algoritmi matematici.
INTEGRAL: la calibrazioone degli strumenti
Il telescopio IBIS di INTEGRAL è stato calibrato su una sorgente gamma conosciuta, il sistema di Cygnus x-1; questo sistema è stato scoperto come forte emettitore X e successivamente come forte emettitore nell’ottico, le indagini spettrali nell’ottico rivelarono che si trattava di un sistema binario costituito da una stella di sequenza principale con una compagna totalmente invisibile. Dalla misura della massa si dedusse che il compagno oscura di cygnus X-1 doveva essere un buco nero di taglia stellare, la radiazione X e Gamma che ci proviene da esso è dunque emessa dal disco di accrescimento attorno ad esso.
INTEGRAL: il 3o catalogo di sorgenti gamma
Sfruttando un’esposizione complessiva di 462 giorni è stato compilato il 3o catalogo delle sorgenti gamma individuate con l’osservatorio Orbitale INTEGRAL. Questo nuovo catalogo è composto da 421 sorgenti responsabili di emissione nella banda di energia compresa tra 18 keV e 100 keV. Poiché INTEGRAL ha osservato frequentemente il piano galattico non c’è da stupirsi se la maggior parte delle sorgenti identificate giacciono nel piano della galassia. L’identificazione di queste sorgenti è affidata ad osservazioni in diverse bande spettrali: da osservazioni radio e ottiche, compiute con strumenti al suolo, a osservazioni infrarosse e X, compiute tramite strumenti orbitali.
Questa attività ha permesso di identificare buona parte delle sorgenti individuate da INTEGRAL, 171 di esse sono generalmente associate a sistemi binari in cui sono presenti dischi di accrescimento, 122 sono risultate oggetti extragalattici, e 113 invece devono ancora essere identificate. Una successiva classificazione delle sorgenti galattiche osservate da INTEGRAL ha permesso di individuare 65 binarie X di grande massa e 78 binarie X di piccola massa.
INTEGRAL e il cielo ad energie maggiori di 100 keV
Selezionando tra le sorgenti del 3o catalogo INTEGRAL quelle che presentano una forte emissione ad energie superiori a 100 keV è stato compilato un ulteriore catalogo con le sorgenti di elevata energia osservate con IBIS. Sono 49 le sorgenti che presentano un’emissione ad energie superiori a 100 keV, di esse 14 sono state osservate anche ad energie superiori ai 150 keV. Questo nuovo catalogo è dominato da sorgenti caratterizzate da un disco di accrescimento, infatti 26 di esse sono binarie X di grande massa mentre 6 sono binarie X di piccola massa. Oltre a sistemi binari con dischi di accrescimento sono state individuate due pulsar X, un oggetto compatto non identificato ma che si ritiene essere un candidato buco nero, 1 soft gamma repeater, 3 pulsar isolate e 10 nuclei galattici attivi. Le 14 sorgenti aventi emissioni con energia superiore a 150 keV sono risultate essere tutte candidate buchi neri.
INTEGRAL dimostra l’assenza della radiazione gamma diffusa
Le sorgenti catalogate sono state utilizzate per stimare il loro contributo all’emissione diffusa presente nel piano galattico. Poiché il mezzo interstellare è il principale responsabile dell’emissione galattica ad energie inferiori a 10 keV e ad energie superiori a 300 keV, era doveroso stimare anche il contributo all’emissione diffusa degli oggetti galattici compatti. L’emissione gamma diffusa alla banda compresa tra 10 e 300 keV venne rilevata da strumenti predecessori di INTEGRAL, tuttavia fino ad oggi non era chiaro quale fosse il contributo degli oggetti compatti galattici all’emissione osservata. La compilazione dei cataloghi di INTEGRAL ha consentito di stimare in questo intervallo di energia un contributo dell’emissione degli oggetti compatti superiore al 90%. Inoltre, mentre i dati non forniscono prove a favore dell’esistenza di processi legati al mezzo interstellare nella banda gamma di media energia, il contributo delle sorgenti, è in grado di rendere conto dell’emissione totale della galassia in banda gamma di energia medio-bassa.
INTEGRAL studia il centro galattico
INTEGRAL ha dedicato molto tempo di osservazione allo studio del centro galattico. Vicino al centro galattico, coincidente con la radio sorgente sagittarius A*, si trova una sorgente molto luminosa contrassegnata col codice 1740.7-2942.
Accanto alla sorgente 1740.7-2942 che è risultata essere un sistema binario con un buco nero di taglia stellare, ci sono diverse altre sorgenti gamma, che sono sistemi binari composti da stelle normali e stelle di neutroni. Lo strumento IBIS/ISGRI ha rilevato anche una sorgente X chiamata IGR J17456-2901, posta a circa 1’ dalla radiosorgente Sagittarius A*, la sorgente che individua il buco nero centrale della nostra galassia. Sono state compiute osservazioni spettrali nella banda tra 20 e 400 keV, combinando questo spettro con quello misurato ad energie più basse con le osservazioni compiute da XMM è stato possibile ricostruire in un’ampia banda di energia lo spettro di questa regione galattica. 
L’analisi dell’emissione da parte di IGR J17456-2901 ha mostrato che si tratta di una sorgente molto debole ma costante nel tempo; queste osservazioni inoltre mettono in evidenza che non si tratta di una sorgente puntiforme ma di una regione diffusa caratterizzata da un’emissione non termica.
IGR J17456-2901 è centrata nella posizione R.A.=17h 45m 42,5s decl.=-28o59’28", scostato dalla posizione di Sagittarius A* di 1’, l’incertezza di questa posizione è di 1’; la sorgente è posta a 8 kpc, quindi si trova realmente in prossimità del centro galattico. Nella banda di energia tra 20 e 400 keV IGR J17456-2901 presenta una luminosità di 5,4·1028 watt.
Anche gli astrofisici che lavorano col telescopio Hess hanno rilevato, in banda di energia dell’ordine dei TeV, una sorgente nella stessa posizione. I dati IBIS dimostrano che le due sorgenti potrebbero essere la stessa identica sorgente osservata in due bande di energia differenti.
Sorgenti gamma variabili nei pressi del centro galattico
Questa animazione è composta da una sequenza di immagini ottenute col telescopio IBIS a bordo del satellite INTEGRAL. L’animazione mostra la variabilità delle sorgenti gamma presenti nei pressi delle regioni centrali della nostra galassia. Le sorgenti mostrate in questa sequenza di immagini sono sistemi binari composti da un astro compatto (generalmente una stella di neutroni o un buco nero) orbitante attorno ad una stella normale. Questi sistemi binari sono molto stretti e l’intenso campo gravitazionale della stella compatta favorisce il trasferimento di materia dalla stella normale. In questo modo attorno alla pulsar, o al buco nero, si produce un disco di accrescimento che può emettere radiazione X e gamma.
INTEGRAL osserva i lampi gamma
Un altro campo dove INTEGRAL fornisce un’importante contributo è quello dei gamma ray burst, questi sono lampi gamma improvvisi e brevissimi tali da essere in grado di saturare gli strumenti. Per capire di cosa si tratta è necessario osservare le controparti ottiche, INTEGRAL ne osservacirca 1 al mese. Nella figura si vede GRB030227 che è apparso accanto alla pulsar del granchio.
Gli scienziati hanno stimato il tasso di lampi gamma nell’universo in 1 ogni circa 2 giorni. La durata di questi lampi è sempre compresa tra 0,1 e 100 secondi, un tempo troppo breve per orientare un osservatorio con la massa di INTEGRAL che non può inquadrare un lampo gamma che non appaia nella stessa regione del cielo inquadrata da IBIS. L’astrofisico polacco Marcinkowski ha escogitato un sistema per ampliare la regione di osservazione dei lampi gamma pi&ùgrave luminosi sfruttando la diffusione Compton.
Il contributo di SPI
Un altro importante contributo è dovuto a SPI. Grazie alla sua eccellente capacità di misurare l’energia dei fotoni incidenti, è stato possibile studiare in dettaglio alcune righe come quella a 511 keV, dovuta all’annichilazione elettrone-positrone, e quella 1808 keV dovuta al decadimento dell’26alluminio. SPI ha permesso di determinare che l’emissione a 511 KeV non è puntiforme ma si estende su una regione di circa 10 gradi quadrati intorno al centro galattico, coinvolgendo un’enorme quantità di materia e antimateria. In effetti non è chiaro come come sia stata prodotta tutta questa antimateria.
Lo studio delle righe prodotte da nuclei instabili invece è assai importante perché ciascun isotopo ha tempi di vita diversi. Gli isotopi con tempi di dimezzamento molto lunghi saranno presenti in tutti i resti di supernovae mentre gli isotopi con tempi di dimezzamento relativamente brevi possono essere utili a scoprire resti di supernovae recenti, ma invisibili, perché nascosti dalla polvere che assorbe la radiazione visibile mentre non ha effetto sui fotoni gamma . Fino ad ora, SPI ha rilevato solo l’emissione dell’ 26Al nella galassia.
L’isotopo radioattivo dell’alluminio 26Al è prodotto nelle supernovae, consentendo di determinare la frequenza di questi eventi nella nostra galassia. Poiché si tratta di un radioisotopo di lunga durata, con vita media di 720000 anni, fornisce anche una prova convincente della nucleosintesi presente nelle regioni di recente formazione stellare.
Grazie ad una serie di misure accurate lungo il piano della galassia è stato rilevato l’effetto Doppler dovuto alla rotazione galattica.
Da queste misure si sono tratte alcune conclusioni di fondamentale importanza: si è potuto appurare che l’emissione gamma proviene principalmente dalle regioni interne della Via Lattea mentre è meno marcata l’emissione dovuta alle regioni esterne della galassia. Probabilmente la causa di ciò è da ricercare in un fattore selettivo che favorisce la formazione delle stelle di grande massa, cioè quelle che poi esplodono in supernovae rilasciando l’ 26Al nello spazio interstellare. Utilizzando queste osservazioni,si è potuto stimare l’ammontare di 26Al presente nella Via Lattea che è risultato pari a tre masse solari, un quantitativo enorme se si tiene conto che l’ 26Al è un isotopo raro, infatti nella nube primordiale che ha dato origine al sistema solare è stato stimato un rapporto 5/100000 di 26Al rispetto a 27Al che è l’isotopo più stabile dell’alluminio.
Poiché si ritiene che l’26alluminio venga prodotto nelle esplosioni di supernova si è potuto stimare il tasso di supernovae nella nostra galassia. I risultati ottenuti confermano un tasso di una supernova ogni 50 anni, valore consistente con il valore ottenuto osservando le supernovae di altre galassie.
Scoperta una nuova stella di neutroni in rapida rotazione
Il 2 dicembre 2004 un gruppo di astrofisici Europei scoprirono, con un’osservazione effettuata con il telescopio a raggi gamma INTEGRAL, una nuova sorgente gamma denominata IGR J00291+5934. L’analisi dei fotoni provenienti da questa stella ha permesso di determinare che questa sorgente ruota sul proprio asse circa 600 volte in un secondo mentre orbita attorno ad una compagna in due ore e mezza. Dopo essere apparsa in cielo in dicembre 2004 la sorgente è scomparsa nel gennaio 2005. Questa scoperta riveste una grande importanza perchè permette di capire meglio il processo di accelerazione delle stelle di neutroni in sistemi binari.
INTEGRAL misura il fondo gamma del cielo
Integral è un ottimo strumento per studiare ed analizzare le singole sorgenti gamma sufficientemente luminose da emergere dalla radiazione del fondo del cielo gamma. Molto più difficile è misurare con precisione il flusso proveniente da tutto il cielo che è probabilmente da imputare a sorgenti così lontane da non essere visibili singolarmente.
Per tentare di ottenere una misura accurata del flusso della radiazione di fondo gamma l’osservatorio INTEGRAL, nel periodo gennaio-febbraio 2006, è stato gestito in modo inconsueto, utilizzando il nostro pianeta come scudo assorbitore.
Il transito della Terra nel campo di vista degli strumenti di un satellite non è un evento eccezionale, anzi si tratta di un evento volutamente cercato per determinare un una precisione elevata la posizione del satellite. Infatti ogni satellite ha a bordo alcuni sensori stellari adibiti all’osservazione delle occultazioni della Terra e della Luna per consentire di determinare la posizione del satellite in orbita.
Solitamente durante il transito della Terra nel campo di vista, gli strumenti sono spenti. Per misurare il fondo gamma, invece, gli strumenti sono rimasti accesi e i ricercatori hanno potuto misurare l’intensità del fondo gamma, sfruttando la differenza tra le zone occultate dalla Terra e quelle non occultate. In altre parole, la Terra è stata utilizzata come filtro per bloccare la radiazione celeste. Un altro punto, che gioca a favore dell’osservatorio INTEGRAL, è nella possibilità di osservare simultaneamente la stessa regione di cielo sia nei raggi gamma che nei raggi X, le osservazioni hanno quindi permesso di valutare l’intensità del fondo in entrambe le bande.
INTEGRAL cattura il cobalto nella supernova SN2014j
Le stelle - ottobre 2014 - numero 135 pag 14 - autore: Patrizia Caraveo
INTEGRAL cattura il risveglio del Buco nero di V404
ESA science & technology: INTEGRAL
INTEGRAL: fifteen years in orbit
Referenze
- Sito dell’agenzia Spaziale Europea
- Elisa Costantini – INTEGRAL alla scoperta del cielo gamma – l’astronomia n° 235 ottobre 2002 pag 18
- Pietro Ubertini – INTEGRAL ed è subito luce - l’astronomia n° 246 ottobre 2003 pag 16
- Pietro Ubertini – Infaticabile IBIS – l’astronomia n° 247 novembre 2003 pag 6
- Pietro Ubertini e Giorgio Palumbo – La prima luce di INTEGRAL - l’astronomia n° 238 gennaio 2003 pag 16
- Volker Schönfelder – The Universe in Gamma Rays – edizioni Springer
