Le lenti di Laue

L'astronomia gamma del futuro

Il problema dell'astronomia gamma attuale è il basso rapporto segnale rumore dovuto principalmente all'impossibilità di focalizzare i fotoni gamma sul sensore. L'attuale osservazione gamma del cielo è paragonabile più all'osservazione della sfera celeste ad occhio nudo che all'osservazione effettuata con un telescopio ottico. Per di più gli strumenti gamma non sono in grado di fornure una buona risoluzione angolare. Lo studio delle sorgenti più deboli impone anche lunghi periodi di osservazione per accumulare un numero sufficiente di fotoni per ottenere informazioni spettrali e di intensità luminosa della sorgente.

Questa situazione di stallo apparente ha spinto alcuni astrofisici a collaborare con i fisici della materia per cercare dei materiali in grado di focalizzare i fotoni gamma sul rivelatore. I vantaggi sarebbero notevoli: focalizzare i raggi gamma ci permetterebbe di costruire telescopi con superfici di raccolta dei fotoni più grandi con sensori più piccoli ( attualmente le dimensioni del sensore è identica a quella della superficie di raccolta del telescopio rendendo i satelliti per l'osservazione in banda gamma del cielo, le missioni scientifiche più pesanti messe in orbita dall'uomo). I vantaggi non terminano qui, il rapporto segnale rumore crescerebbe notevolmente permettendo di osservare sorgenti più deboli di quelle che siamo in grado di osservare ora, inoltre la risoluzione spaziale crescerebbe proporzionalmente al diametro del dispositivo di focalizzazione consentendo di studiare in dettaglio la struttura delle sorgenti celesti e capire meglio i meccanismi fisici e le regioni dove viene prodotta l'emissione gamma.

Potranno così essere studiati in dettaglio i resti di supernova, creando mappe della composizione chimica degli elementi instabili al loro interno, la struttura dell'emissione a 511 keV, dovuta all'annichilazione elettrone positrone, importante per determinare la distribuzione dell'antimateria all'interno della nostra galassia e i processi in grado di produrla.

Per rendere più chiaro il concetto consideriamo un'osservazione di 1 milione di secondi effettuata con INTEGRAL nella banda di energia di 511 keV, un telescopio in grado di focalizzare i fotoni gamma di quell'energia avrebbe un incremento in sensibilità di un fattore 100 !

La tecnologia per focalizzare i fotoni gamma

 

 

Ci suno due tecnologie in fase di studio per focalizzare i raggi gamma: ottiche al silicio conrivestimento multistrato e i cristalli a diffrazione di Laue, mediante i quali vengono costruite delle vere proprie lenti. Entrambe le tecnologie vengono utilizzate nel profilo di una futura missione, infatti la loro combinazione consente di espandere ulteriormente la banda di osservazione.

Ottiche al silicio con rivestimento multistrato

Questa tecnologia è un'estensione delle ottiche classiche utilizzate nell'astrofisica delle alte energie, esse funzionano con il principio dell'incidenza radente come le ottiche X. Queste ottiche sono costituite da una serie di rivestimenti di materiale a due strati alternati, lo spessore dei quali è di fondamentale importanza perchè ha effetto sulla banda di energia dei fotoni incidenti che vengono riflessi.

I test di laboratorio su ottiche ancora sperimentali sono molto promettenti, in particolare si è messo in evidenca come sostituindo il rivestimento d'oro delle ottiche classiche che permettevano la riflessione fino a fotoni di 10 keV di energia con un rivestimento multistrato è possibile ottenere la riflessione, quindi focalizzare, fotoni fino energie di 300 keV. Si tratta di un bel salto di qualità, tuttavia è ancora insufficiente per osservare il decadimento elettrone-positrone a 511 keV.

I cristalli di Laue e le lenti per fotoni gamma

La diffrazione dei raggi X è utilizzata da tempo per determinare la struttura dei cristalli. Un fotone di elevata energia può essere diffratto da un cristallo. L'angolo di diffrazione dipende dalla struttura del reticolo cristallino, in particolare dalla distanza che intercorre tra un atomo e il successivo, e dall'energia del fotone che, in base all'equivalenza onda particella può essere interpretata come una lunghezza d'onda associata alla particella.

L'equazione che regola la diffrazione dei fotoni in un cristallo è la legge di Bragg. Utilizzando questa equazione è possibile progettare una lente nella quale i fotoni gamma vengono diffratti e fatti convergere tutti in uno stesso punto: il fuoco.Affinchè la particella "veda" il cristallo ocorre che la distanza tra gli atomi sia inferiore alla sua lunghezza d'onda. Affinchè il sistema funzioni, è necessario utilizzare un cristallo di elevata densità, il materiale che è parso ideale è il rame. Queste lenti permetterebbero di osservare in due bande distinte di energia compresa tra 420 e 520 keV e tra 810 e 920 keV. Queste sono bande di energia interessanti, in particolare coprono la linea a 511 keV dell'annichilazione elettrone-positrone e alcune emissioni tipi resti di sueprnova.

Visto che l'indice di rifrazione di qusti materiali non è elevato, un telescopio di questo tipo avrebbe una focale lunghissima, infatti una lente da 1 metro avrebbe una focale di 500 metri, ed una da 10 metri si supererebbe abbondantemente il km. Poiché è impensabile lanciare una navicella così lunga si pensa di utilizzare tecniche di volo.

 

 

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