Astronomia gamma
Telescopi fotoelettrici Telescopi Compton Telescopi a produzione di coppia Telescopi Cerenkov
Telescopi a produzione di coppia
I telescopi tracciatori di coppie, sono costruiti con una tecnologia presa in prestito dal mondo della ricerca delle particelle elementari. Questi telescopi vengono utilizzati per l’osservare fotoni con energia superiore a 30 MeV. Infatti per fotoni con energia superiore a questa soglia il processo dominante di interazione con la materia è l’assorbimento mediante produzione di una coppia elettrone - positrone. I telescopi gamma sono camere a scintille o la versione modernizzata a strip di silicio e sono costruiti in modo da favorire la produzione della coppia elettrone - positrone per poi poter tracciare il percorso compiuto da queste due particelle onde risalire alla direzione di provenienza e all’energia del fotone che le ha originate.
Il primo uso delle camere a scintilla risale agli anni ’60 quando piccoli rivelatori vennero imbarcati a bordo di palloni sonda. Con l’avvento di sofisticate camere a scintilla, come quelle a bordo di EGRET, l’astronomia gamma ha compiuto dei passi da gigante studiando oggetti come stelle di neutroni, galassie attive, emissione galattica diffusa, buchi neri, contribuendo alla comprensione dei brillamenti solari e dei lampi gamma. I telescopi tracciatori di coppie, sono costruiti con una tecnologia presa in prestito dal mondo della ricerca delle particelle elementari. Questi telescopi vengono utilizzati per l’osservare fotoni con energia superiore a 30 MeV. Infatti per fotoni con energia superiore a questa soglia il processo dominante di interazione con la materia è l’assorbimento mediante produzione di una coppia elettrone - positrone. I telescopi gamma sono camere a scintille o la versione modernizzata a strip di silicio e sono costruiti in modo da favorire la produzione della coppia elettrone - positrone per poi poter tracciare il percorso compiuto da queste due particelle onde risalire alla direzione di provenienza e all’energia del fotone che le ha originate.
Il primo uso delle camere a scintilla risale agli anni ’60 quando piccoli rivelatori vennero imbarcati a bordo di palloni sonda. Con l’avvento di sofisticate camere a scintilla, come quelle a bordo di EGRET, l’astronomia gamma ha compiuto dei passi da gigante studiando oggetti come stelle di neutroni, galassie attive, emissione galattica diffusa, buchi neri, contribuendo alla comprensione dei brillamenti solari e dei lampi gamma.
I principi base del loro funzionamento
Il progetto base di questi strumenti è una struttura a strati composta alternativamente da materiale, il cui scopo è assorbire il fotone e produrre la coppia elettrone - positrone, e necessari a tracciare la traiettoria percorsa dalla coppia di particelle prodotte. Abbiamo già visto come la capacità di conversione di un materiale cresca con z2. Per tale motivo materiali adatti alla conversione del fotone in una coppia sono metalli pesanti ad elevato z che vengono incassati in fogli di spessore ridotto. Nel caso della camera a scintille il tracciatore è costituito da gas e fili elettrici incrociati tra di loro. A questa parte del telescopio è affidato il compito più difficile, cioè tracciare la traiettoria della coppia nel modo più preciso possibile.
La coppia elettrone - positrone viene creata in uno degli strati convertitori. Le due particelle avranno energia cinetica totale pari all’energia iniziale del fotone diminuita dei 1,022 MeV necessari alla produzione della coppia. Le particelle attraversano poi gli strati traccianti, ionizzando il gas ivi presente. Durante il loro transito ai fili viene applicata una differenza di potenziale, che attrae gli elettroni liberi nel gas producendo un segnale elettrico sui fili stessi. La determinazione della posizione dove si è verificato il segnale elettrico permette di ricostruire, in 3 dimensioni, la traiettoria di queste due particelle.
La ricostruzione delle traiettorie delle due particelle è di importanza cruciale, infatti è dalla traiettoria assunta dalle particelle che è possibile risalire alla direzione di provenienza ed all’energia del fotone che le ha originate. L’analisi della diffusione delle particelle, fenomeno che dipende dall’energia cinetica delle particelle, combinata con l’assorbimento della coppia dovuto ad un rivelatore scintillatore all’uscita della camera a scintille, permette di risalire all’energia originale del fotone.
L’energia dei fotoni è stimata con risoluzione di circa 25% tra 200 e 1000 MeV, grazie ad uno scintillatore di NaI, abbastanza spesso (20 cm) per assorbire tutta l’energia delle coppie elettrone positrone che emergono dalla camera a scintille.
È di fondamentale importanza proteggere la camera a scintille dal flusso di raggi cosmici. A tale scopo si utilizza un sistema di anticoincidenza costituito da uno scudo protettivo in grado di rilevare le particelle cariche. Naturalmente è fisicamente impossibile impedire ad una particella carica di penetrare nella camera a scintilla senza essere rilevata da essa, è però possibile escludere tutti quegli eventi rilevati anche dall’anticoincidenza perché prodotti da particelle cariche esterne e non da fotoni gamma.
Caratteristiche dei rivelatori
Quando si parla di astronomia gamma di alta energia, occorre fare alcune considerazioni fisiche: un fotone gamma da 10 GeV trasporta un’energia pari a 10 miliardi di volte quella trasportata da un fotone ottico.La potenza emessa da un astro può allora essere trasportata con tanti fotoni ottici o con pochi fotoni gamma di alta energia. La scarsità di fotoni gamma di alta energia rende importante la costruzione di telescopi con un’area più ampia possibile. Il telescopio EGRET disponeva di un’area collettrice di 1600 cm2, molto più piccola di quella che oggi dispongono i telescopi Cerenkov al suolo, ma anche più ampia di quella di cui disponevano i telescopi che operavano nei raggi gamma di bassa energia.
I telescopi a produzione di coppie possono produrre immagini del cielo gamma, però occorre notare che la procedura per produrre un’immagine gamma è molto diversa da quella utilizzata in ottico. Anzitutto con questo tipo di telescopio viene determinata la direzione di provenienza del fotone, conoscendo poi la direzione di puntamento del telescopio è possibile risalire alle coordinate galattiche o celesti della direzione di provenienza del fotone gamma. Il passo successivo consiste nella ricostruzione elettronica su mappa bidimensionale della direzione di provenienza dei fotoni per ottenere un’immagine della regione del cielo osservata.
Ma perché bisogna utilizzare questa tecnica? A differenza dei telescopi ottici, un telescopio a produzione di coppie rivela solo un fotone per volta, quindi non è possibile ricostruire un’immagine immediatamente ma è necessaria un’elaborazione successiva che, data la scarsità di fotoni in questa banda di energia, richiede di accumulare fotoni su un lungo periodo di osservazione.
Sviluppi futuri
Visti i bassi flussi di fotoni per energie superiori ai 30 MeV la tendenza per il futuro è quella di utilizzare telescopi con area sensibile sempre più grande accoppiata ad un grande campo di vista. Le camere a scintilla sino ad ora utilizzate dispongono di un ampio campo di vista (30° - 40° misurati dal centro alla periferia), AGILE e GLAST copriranno circa un quinto del cielo ad ogni puntamento. Dal punto di vista strumentale si cerca di allargare l’intervallo dello spettro elettromagnetico in cui operano questi telescopi. A basse energie un limite è dovuto alla soglia dei 20 MeV necessari agli attuali convertitori utilizzati per la produzione di coppie. Altri tentativi sono stati fatti con lo scopo di migliorare la sensibilità dello strumento nell’intervallo di energia compreso tra 20 MeV e 100 MeV.
Per quanto riguarda i fotoni più energetici dell’intervallo nel quale operano questi telescopi la maggiore area collettrice degli strumenti di nuova generazione consente di rivelare fotoni fino al limite di energia dei 100 GeV. Oltre a questo limite i flussi diventano troppo bassi e non permettono di raccogliere abbastanza fotoni. Queste nuove possibilità consentono di fondere l’intervallo di energia coperto con i telescopi a produzione di coppia con l’intervallo nel quale operano i telescopi gamma al suolo, che sfruttano l’emissione Cerenkov della cascata elettromagnetica nell’atmosfera.
Nuove tecnologie sono state utilizzate nella costruzione degli strumenti di nuova generazione come quelli imbarcati a bordo dei satelliti AGILE dell’Agenzia Spaziale Italiana e GLAST nato da un ampia collaborazione internazionale. Questi nuovi telescopi utilizzano camere a scintilla costituiti da dispositivi a stato solido in sostituzione degli interstizi riempiti da gas e delle griglie di fili. Questo rivelatore presenterà notevoli migliorie, in particolare riusciremo ad ottenere una risoluzione in energia del 5% mentre la risoluzione spaziale si attesterà a pochi arcominuti con la possibilità di ottenere una stima delle posizioni delle sorgenti più luminose con un errore di pochi arcosecondi.
Un altro vantaggio di questa strumentazione consiste nella durata: la camera a scintilla costituita da gas aveva una durata limitata perché il gas, col tempo, si esauriva. Ora coi dispositivi a stato solido questo tipo di problema non sussiste più, la loro vita operativa dipende esclusivamente dalle apparecchiature che garantiscono la sopravvivenza del satellite (pannelli solari, batterie, giroscopi..).Potenzialmente, se un telescopio come EGRET ha permesso di scoprire 200 nuove sorgenti, i telescopi della nuova generazione potrebbero scoprire decine di migliaia di nuove sorgenti!
