Astronomia gamma al suolo
Telescopi Cherenkov - Osservazioni gamma al suolo
L’atmosfera terrestre è un ostacolo invalicabile per i fotoni gamma semplicemente perchè li costringe a interagire. Perchè non utilizzare l’atmosfera come rivelatore? Per fotoni con energia superiore a qualche centinaio di GeV, la particelle relativistiche, create in interazioni successive della coppia originale, propagandosi nell’atmosfera producono un fascio di luce Cerenkov rivelabile dalla superficie terrestre con normali specchi parabolici.
Lo studio dettagliato del fascio Cherenkov permette di ricostruire la direzione d’arrivo dei fotoni gamma con precisione di circa 1°. E anche possibile riconoscere i fasci Cerenkov prodotti dalle interazioni di fotoni gamma da quelli, molto più numerosi, prodotti nel corso delle interazioni dei protoni di alta energia dei raggi cosmici. Telescopi dedicati allo studio dei fotoni gamma di alta energia sono operativi in diverse regioni della terra; i più sensibili sono MAGIC alle Canarie, HESS in Namibia,l’osservatorio Whipple in Arizona con il suo successore VERITAS e l’australiano CANGAROO. Quando l’energia dei fotoni supera qualche centinaio di TeV, la produzione di coppie successive dà origine ad un gran numero di particelle che possono arrivare fino al suolo. Anche in questo caso, lo studio della struttura del fascio, basato sull’uso di numerosi scintillatori di grandi dimensioni disposti secondo un preciso schema geometrico, permette di ricostruire la direzione d’arrivo dei fotoni e di distinguere gli sciami prodotti dai fotoni gamma da quelli prodotti dai protoni dei raggi cosmici. Le installazioni dedicate allo studio degli sciami sono le stesse che, già da molti anni, da numerosi punti della terra sono in funzione per studiare, da un punto di vista generale, i raggi cosmici di alta energia. Ancora una volta, il fattore limitante di questo tipo di osservazioni è l’esiguità numerica dei fotoni di energia ultra alta: a 10 PeV, i flussi sono dell’ordine di qualche fotone per km2 per giorno.
I flash Cherenkov prodotti da queste particelle presentano una durata di 5 ns e rilasciano un flusso di 50 fotoni/m2 entro un raggio di 100 metri dalla traiettoria di incidenza del fotone gamma. L’emissione di questi flash cade tra il blu e l’ultravioletto vicino. Per osservarli sono necessari grandi telescopi che siano in grado di distinguere il flusso prodotto da questi flash dal fondo diffuso dall’atmosfera. Il fondo diffuso dall’atmosfera in una notte di novilunio tra i 350 nm e i 450 nm è di 1012 fotoni m-2s-1 sr, considerando ora che l’angolo sotteso dai flash Cherenkov è di circa 1° il campo di vista di questi telescopi deve essere piccolo e i tempi di integrazione confrontabili coi 5 ns della durata dei flash. Con questi parametri otteniamo un fondo di 1-2 fotoni/m2 ben al di sotto del flusso prodotto dai flash Cherenkov.
La vera innovazione dell’osservazione dei fotoni gamma al suolo arriva con l’osservatorio HESS, questo osservatorio è dotato di quattro telescopi che permettono di utilizzare la tecnica della triangolazione.
Il metodo della triangolazione permette di ricostruire al computer immagini più dettagliate e con una maggiore risoluzione della sorgente gamma; infatti l’immagine riprodotta da un telescopio Cherenkov non è quella del fotone gamma proveniente da una sorgente celeste ma bensì è il lampo di luce Cerenkov che si produce nell’atmosfera. Questo flash si presenta come una macchia luminosa di circa 1°, una risoluzione angolare piuttosto scarsa per intraprendere un’attivita di ricerca delle controparti nelle altre bande dello spettro elettromagnetico.
Per migliorare la risoluzione angolare viene allora utilizzata la tecnica della triangolazione che richiede l’utilizzo contemporaneo di almeno tre telescopi. La combinazione delle tre immagini ottenute permette di risalire alla traittoria dello sciame di particelle. L’uso di un calcolatore permette anche di ricavare la struttura tridimensionale del cono Cerenkov permettendo di risalire al vertice e all’asse, due parametri essenziali per ricavare la direzione di proveninza e l’energia totale del fotone gamma.
I risultati ottenuti con questa tecnica sono eccezionali. L’osservatorio HESS copre un campo di vista di 5° con risoluzioni angolari migliori di di 0,1°. Nei casi più favorevoli la posizione di una sorgente gamma può essere stimata con una accuratezza di 30 secondi d’arco.
