Cherenkov Telescope Array: intervista a Federico Ferrini

Da vari decenni sappiamo che nell’universo avvengono fenomeni ad altissima energia come le esplosioni di stelle molto massive e le collisioni tra buchi neri. Eventi di questo tipo sono legati alla produzione di una grande quantità di raggi gamma.
Il Cherenkov Telescope Array (CTA) è un osservatorio di telescopi che verrà costruito entro il prossimo decennio con l’obiettivo di studiare i raggi gamma e i fenomeni astrofisici associati a essi con precisione e accuratezza mai ottenute prima.
Per capire meglio che cosa sono i raggi gamma, come funziona il CTA e che cosa potremo scoprire sull’universo in futuro, abbiamo intervistato il professor Federico Ferrini, direttore del CTA, in vista del primo simposio della collaborazione che si terrà a Bologna dal 6 al 9 maggio 2019.

Lunedì 6 maggio alle ore 20, presso il teatro Duse di Bologna, si terrà, aperta al pubblico e gratuita, la conferenza di apertura del primo CTA-Symposium. Nel corso della serata, si susseguiranno diversi talk scientifici, tra cui quelli di Takaaki Kajita e Rai Weiss, premi Nobel per la fisica nel 2015 e nel 2017, e Werner Hofmann, Portavoce del CTA.

 

Che cosa sono i raggi gamma?

Le particelle cariche elettricamente interagiscono tra loro tramite le onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche sono onde caratterizzate da una certa frequenza e lunghezza d’onda. Inoltre, tutte le onde elettromagnetiche si propagano alla stessa velocità in un materiale. Nel vuoto, le onde elettromagnetiche si propagano con una velocità pari a 299 792 458 km/s; questo valore è costante ed è chiamato velocità della luce (c). Il prodotto tra frequenza e lunghezza d’onda delle onde elettromagnetiche è sempre uguale alla velocità della luce. Questo vuol dire che frequenza e lunghezza d’onda sono grandezze inversamente proporzionali: maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d’onda.
Per questo motivo si parla di spettro elettromagnetico: si va dai raggi gamma, cioè onde elettromagnetiche con lunghezza d’onda molto piccola, alle onde radio, onde elettromagnetiche con lunghezza d’onda molto grande, passando per la luce visibile a cui l’occhio umano è sensibile.

Lo spettro elettromagnetico (immagine: Wikimedia)

 

Come si osservano i raggi gamma e che cos’è la radiazione Cherenkov?

Visto che l’atmosfera della Terra blocca i raggi gamma, un’opzione per studiarli è mandare un telescopio nello spazio: i satelliti Fermi della NASA e Integral dell’ESA, per esempio, sono attualmente in orbita proprio per misurare direttamente i raggi gamma che sono emessi nell’universo.
Sebbene i raggi gamma siano onde elettromagnetiche proprio come la luce visibile, data la loro alta energia, non è possibile osservarli con telescopi ottici simili a quelli con cui osserviamo le stelle. Fermi e Integral osservano i raggi gamma in questo modo: quando i raggi gamma arrivano al satellite essi colpiscono una sottile lamina di metallo e producono altre particelle; quest’ultime sono rilevate direttamente e dalle loro caratteristiche si può risalire alle proprietà dei raggi gamma originari.
Ma c’è anche un modo per misurare i raggi gamma senza andare nello spazio. Dalla superficie terrestre possiamo misurare i raggi gamma in modo indiretto, attraverso l’osservazione della radiazione Cherenkov, un fenomeno scoperto dallo scienziato sovietico Pavel Cherenkov al quale fu conferito il premio Nobel per la fisica nel 1958.
Quando i raggi gamma colpiscono la Terra, essi trasferiscono la loro alta energia alle particelle presenti nella nostra atmosfera. Queste particelle sono dunque accelerate e possono raggiungere velocità molto elevate. È possibile che le particelle della nostra atmosfera accelerate dai raggi gamma vadano a velocità maggiori di quelle a cui si propagano le onde elettromagnetiche nell’aria.
Questo può succedere perché le onde elettromagnetiche, nel vuoto, si muovono alla velocità della luce; ma in un materiale, per esempio nella nostra atmosfera, vanno invece più lente perché interagiscono con gli atomi e le molecole presenti nell’aria.
Se ciò avviene, le particelle accelerate possono produrre onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda corrispondente a un flash di luce blu: questa luce è chiamata radiazione Cherenkov. Questo tipo di radiazione è osservabile con telescopi posti sulla superficie terrestre e ci permette di capire, ragionando a ritroso, le caratteristiche dei raggi gamma che hanno colpito la nostra atmosfera: osservare la radiazione Cherenkov è dunque un modo indiretto di osservare i raggi gamma prodotti nell’universo.
In generale, ciò che accade è che quando i raggi gamma colpiscono l’atmosfera, essi danno il via a una serie di processi a cascata che producono diverse particelle e radiazioni, tra cui la radiazione Cherenkov, su una certa area: più i raggi gamma sono energetici, maggiore sarà l’aria su cui i processi a cascata saranno distribuiti e minore sarà il diametro dello specchio di un telescopio necessario per osservarli; viceversa, se i raggi gamma hanno energie più basse, allora i processi saranno distribuiti su un’area più piccola e quindi sarà necessario un telescopio più grande.

Quando i raggi gamma colpiscono l’atmosfera si generano una serie di processi a cascata in cui si formano altre particelle e radiazioni, tra cui la radiazione Cherenkov osservabile con i telescopi (immagine: CTA)

 

Che cos’è il CTA e come funziona?

L’idea del progetto del Cherenkov Telescope Array nasce nel 2006, con l’obiettivo di costruire un grande osservatorio per l’osservazione di raggi gamma dalla Terra. Esistono già altri telescopi per raggi gamma sulla Terra (per esempio i telescopi MAGIC, Veritas e HESS) e nello spazio (Fermi e Integral); l’idea di costruire un osservatorio è quella di allargare la possibilità di fare ricerca nel campo dei raggi gamma a tutta la comunità scientifica. Anziché avere un telescopio legato a un piccolo gruppo di ricerca, un osservatorio come il CTA accoglierà e valuterà proposte di osservazioni da scienziati di tutto il mondo. Ma soprattutto, il CTA andrà oltre le capacità degli attuali telescopi in funzione per quanto riguarda la sensibilità e lo spettro di energia dei raggi gamma osservabili.
Il Cherenkov Telescope Array è un osservatorio che sarà composto da 118 telescopi situati in due località distinte, una per ciascun emisfero: a La Palma nelle Canarie e nel deserto di Atacama in Cile.
Il consorzio che si occupa della costruzione dei telescopi del CTA è composto da 14 nazioni ma nel progetto del CTA sono coinvolti circa 1500 scienziati provenienti da 31 nazioni.
Le osservazioni dovrebbero iniziare nel 2020, mentre la completa costruzione e messa in attività di tutti i telescopi è prevista per il 2025. Il progetto prevede che il CTA sia in funzione per almeno 30 anni.
I telescopi del CTA saranno di tre tipi e saranno distribuiti (sia alle Canarie, sia in Cile) su un’area di larghezza massima un paio di km:

  • Large Size Telescope (LST): sono telescopi che hanno uno specchio principale con un diametro di 23 metri. Un prototipo è stato già montato a La Palma; a fine costruzione, ci saranno 4 LST alle Canarie e 4 in Cile. Questi telescopi sono sensibili ai raggi gamma meno energetici (fino a energie di 1 TeV): per questo hanno uno specchio molto ampio, per riuscire a raccogliere quanta più radiazione Cherenkov possibile, e sono posizionati al centro dell’array perché la radiazione Cherenkov dovuta a raggi gamma con energie più basse si sviluppa su un’area più piccola.
  • Medium Size Telescope (MST): sono telescopi con uno specchio principale di 12 metri di diametro. Verranno installati 14 MST alle Canarie e 25 in Cile e saranno sensibili a raggi gamma con energie comprese tra 100 GeV e 10 TeV. Nell’array, questi telescopi andranno a circondare gli LST.
  • Small Size Telescope (SST): si tratta di 70 telescopi con uno specchio principale di 4 metri di diametro. Questi telescopi sono sensibili ai raggi gamma con maggiore energia (da qualche TeV a qualche centinaio di TeV): siccome i raggi gamma di questo tipo provengono da processi che avvengono principalmente nella Via Lattea e poiché la nostra Galassia è osservabile meglio nell’emisfero meridionale, tutti gli SST verranno installati in Cile. Gli SST saranno i telescopi distribuiti più esternamente nell’array fino a una distanza di un paio di km dalla posizione degli LST (che si trovano al centro).

I tre tipi di telescopi del CTA (immagine: CTA)

Lo specchio principale di ciascun telescopio non è composto da un pezzo unico. Ogni specchio è fatto di diversi tasselli più piccoli che possono essere mossi; in questo modo è possibile adattare la forma dello specchio principale alle condizioni dell’atmosfera, la cui turbolenza può variare in ogni istante. Dunque è fondamentale realizzare, tramite simulazioni al computer, dei modelli in grado di descrivere le condizioni dell’atmosfera. Infatti i telescopi del CTA osservano solo il risultato finale, ovvero l’emissione della radiazione Cherenkov: avere un modello corretto delle condizioni dell’atmosfera è fondamentale per procedere a ritroso con l’analisi scientifica e risalire alle caratteristiche dei raggi gamma originari.

 

Quali contributi il CTA darà all’astrofisica del futuro?

Il CTA permetterà di osservare in modo sistematico i fenomeni legati alla produzione di raggi gamma, con una sensibilità almeno 10 volte più grande degli attuali telescopi per raggi gamma in funzione sulla Terra e nello spazio.
Inoltre, i satelliti per raggi gamma ora in orbita possono studiare un intervallo limitato di energie di raggi gamma; il CTA osserverà raggi gamma con energie che vanno da qualche decina di GeV a qualche centinaio di TeV. Si tratta di un intervallo di energie che va anche oltre le capacità dell’acceleratore LHC al CERN, il quale raggiunge energie al massimo di circa 15 TeV.
La possibilità di usare il CTA per misurare raggi gamma con energie così grandi permetterà di osservare in modo più completo fenomeni come l’esplosione di una supernova: durante eventi di questo tipo le particelle sono accelerate con energie molto diverse, portando alla formazione di un insieme di raggi gamma con uno spettro di energie molto ampio. Con i tre diversi tipi di telescopi del CTA sarà più facile seguire l’evoluzione delle varie fasi di una supernova e studiare i raggi gamma di differenti energie associate allo stesso fenomeno fisico.
Inoltre, sarà possibile anche studiare fenomeni molto energetici, ma per ora poco compresi: per esempio si potrà studiare meglio come nascono i raggi cosmici e come essi sono influenzati dai campi magnetici della nostra Galassia.
Inoltre, il CTA potrebbe riuscire a osservare per la prima volta due particelle di materia oscura che collidono. Infatti la materia oscura è un tipo di materia che si suppone interagisca in modo trascurabile con tutte le altre particelle conosciute, se non tramite la gravità; tuttavia, alcuni modelli teorici prevedono che quando due particelle di materia oscura collidono tra loro si abbia l’emissione di raggi gamma. Fino a oggi non abbiamo ancora osservato eventuali raggi gamma prodotti dalla materia oscura; magari il motivo è solo che si tratta di raggi gamma ad altissima energia, inaccessibili con gli strumenti a disposizione attualmente, e per questo motivo il CTA potrebbe rappresentare una svolta con gli SST.
Un altro campo in cui il CTA potrà dare un contributo molto rilevante è quello dell’astrofisica multimessaggero, cioè l’osservazione dello stesso evento astrofisico per mezzo di più segnali (onde elettromagnetiche, onde gravitazionali, emissione di neutrini, etc.). Per esempio, la collisione di due stelle di neutroni genera un fenomeno chiamato kilonova; oltre alla produzione di onde gravitazionali (osservate dagli interferometri LIGO e Virgo) si ha anche un’emissione di raggi gamma a bassa energia.
Avere osservazioni indipendenti da più osservatori è fondamentale per localizzare con grande precisione il punto dell’universo in cui si è avuta la collisione di stelle di neutroni. In futuro, quando il CTA sarà operativo, gli LST saranno in grado di osservare, tramite la radiazione Cherenkov, i raggi gamma emessi da una kilonova e potremo ottenere informazioni complementari a quelle ottenute con l’osservazione delle onde gravitazionali. Grazie al CTA riusciremo a guardare l’universo come mai abbiamo fatto prima.

Se vuoi approfondire su Aula di Scienze i temi della materia oscura e dell’astronomia multimessaggero, puoi leggere questi due articoli di Michele Avalle: L’enigma della materia oscura e La nascita dell’astronomia multimessaggero.

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