Oltre ciò che vedono gli occhi: svelare il cosmo alle più alte energie Understand article

Tradotto da Francesco Cavaggioni. Claudia Mignone e Rebecca Barnes esplorano i raggi X e i raggi gamma ed esaminano le ingegnose tecniche utilizzate dall’Agenzia Spaziale Europea per osservare il cosmo a queste lunghezze d’onda.

Osservato a occhio nudo, con un binocolo o un telescopio, lo stellato cielo notturno è uno spettacolo mozzafiato di pace. Ma se potessimo vedere il cielo in raggi X e gamma altamente energetici, piuttosto che la luce visibile dai nostri occhi, vedremmo un immagine molto differente – una spettacolare manifestazione di luce cosmicaw1 (Figura 1).

Figura 1: Sopra: un’immagine di tutto il cielo alle lunghezze d’onda dei raggi x ad alta energia dall’Osservatorio dello Spazio INTEGRAL dell’ESA, basata su dati raccolti nell’intervallo di energia 18-40 keV (la luce visibile corrisponde a 1.65–3.1 eV). Qui di seguito: un’immagine di tutto il cielo alle lunghezze d’onda visibili. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Per gentile concessione dell’ESA / F Lebrun / CEA Saclay, Service d’Astrophysique (sopra); ESO / S Brunier (sotto)
Figura 2: Quel che resta della
supernova Tycho visto da
XMM-NEWTON dell’ESA.
Questo resto è relativamente
giovane ed è associato ad
una esplosione della
supernova che è stato
osservato nel 1572
dall’astronomo danese Tycho
Brahe. Cliccare sull’immagine
per ingrandirla

Immagine gentilmente
concessa da Marco Iacobelli
(XMM-Newton SOC) and ESA

Alcuni dei più potenti e violenti fenomeni nell’Universo risplendono in modo vistoso a queste corte lunghezze d’onda, come le esplosioni di una supernova – l’infuocato decesso della vita di una stella enorme – e buchi neri, materia che divora rapidamente altra materia. Come segno della loro natura dinamica, molte sorgenti a raggi X e gamma mostrano distinti cambiamenti nella loro lucentezza, anche in periodi di tempo molto piccoli. Le esplosioni di raggi gamma, per esempio, appaiono come improvvisi flash brillanti che durano solo pochi secondi. Queste esplosioni provengono forse dalle più estreme esplosioni nel cosmo (per saperne di più, vedi Boffin, 2007). Inoltre, i raggi X e i raggi gamma sono rilasciati attraverso processi fisici diversi da quelli responsabili per l’emissione della luce visibile. Questo significa che le galassie e altri oggetti astronomici appaiono differenti quando ripresi alla più alta energia dello spettro elettromagneticow2 (EM)(Figure 2 e 3).

Figura 3: La galassia del sigaro (M82), come è vista da XMM-Newton, a lunghezze d’onda visibili e ultraviolette (UV)(particolare sulla sinistra) e a lunghezze d’onda a raggi X (particolare sulla destra). L’immagine principale è una composizione delle immagini con lunghezze d’onda visibili, raggi X e UV. L’emissione dei raggi X è mostrato in blu e rivela pennacchi di gas molto caldi che esplodono fuori dal disco della galassia. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da ESA

Questa visione rivoluzionaria del cosmo fu rivelata agli astronomi nei primi anni sessanta, con l’inizio dell’era spaziale, quando razzi e satelliti permisero a strumenti opportunamente sviluppati di essere trasportati oltre la barriera oscurante dell’atmosfera terrestrew3. L’Agenzia Spaziale Europea (ESA; vedi riquadro)w4 poco dopo si unì, con la missione raggi-gamma COS-B (1975) e l’osservatorio a raggi-X EXOSAT (1983). Oggi, l’ ESA gestisce due osservatori: il satellite a raggi X Multi-Mirror (XMM-Newton), lanciato nel 1999, e il Laboratorio Internazionale di Astrofisica a Raggi Gamma (INTEGRAL), lanciato nel 2002.

Come lavorano? Come abbiamo spiegato in un articolo precedente (Mignone & Barnes, 2011), non c’è distinzione fisica tra raggi X, raggi gamma, luce visibile e altri tipi di radiazione EM. Sono tutte forme della luce, differiscono solamente nella loro lunghezza d’onda (o, dato che le tre sono correlate, la loro frequenza o la loro energia; Figura 4). Comunque sia, a seconda della loro lunghezza d’onda (o frequenza, o energia), interagiscono in maniera molto differente con la materia. Ciò ha importanti implicazioni per l’astronomia.

Figura 4: Schema dello spettro EM con in risalto i raggi X e i raggi gamma, con indicazioni riguardanti la lunghezza d’onda, frequenza e energia lungo lo spettro. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da ESA / AOES Medialab

I tradizionali sistemi ottici, come i nostri occhi, le telecamere, le macchine fotografiche, i microscopi o i telescopi, fanno affidamento su lenti (o specchi) che rifrangono (o riflettono) i raggi di luce e concentrano questi in un singolo punto per produrre le immagini. Tuttavia, questo è difficile con alcuni raggi di luce. Poiché i raggi X e gamma hanno lunghezze d’onda di dimensioni che si avvicinano, rispettivamente, a quelle degli atomi e delle particelle sub-atomiche, non possono essere riflesse o concentrate facilmente come la luce visibile, ma tendono invece ad essere assorbite quando colpiscono materiali più densi (Figura 5).

Figura 5: I raggi di luce che colpiscono una superficie saranno assorbiti se l’energia è più alta di una certo valore limite, che dipende dal materiale della superficie. L’energia della luce assorbita è trasferita agli elettroni nel materiale, i quali vengono quindi emessi. Questo fenomeno, conosciuto come effetto fotoelettricow5, è uno dei pochi fenomeni che accadono quando una radiazione altamente energetica interagisce con la materia. Per una messa in scena teatrale della materia a scuola, vedi Bernardelli (2010). Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da ESA / AOES Medialab

Il fatto che raggi X e raggi gamma siano assorbiti dai materiali densi li rende adatti a molte applicazioni, comprese le scansioni mediche e le analisi dei materiali. Per gli astronomi, però, è un problema: poiché sono facilmente assorbiti, questi tipi di radiazione sono molto difficili o impossibili da concentrare; così, ottenere immagini nitide delle loro sorgenti è una sfida.

Tuttavia, gli scienziati hanno sviluppato tecniche per rilevare raggi X e gamma provenienti dal cosmo. Essi differiscono notevolmente dalle tecniche utilizzate nell’ottica tradizionale e ciò, insieme al fatto che essi operano nello spazio, significa che i telescopi per l’astronomia ad alta energia non assomigliano per nulla ai telescopi ottici.

Pietra rasentante l’acqua
Immagine gentilmente
concessa da Killy Ridols; fonte
immagine: Wikimedia
Commons

Tecniche di osservazione a raggi-X

Anche se è difficile riflettere i raggi-X, non è impossibile se colpiscono lo specchio del telescopio con una angolatura molto piccola – si pensi ad un ciottolo che sfiora la superficie dell’acqua. Tuttavia, considerando che un angolo di 20° permette alle pietre di rimbalzare, i raggi X possono essere riflessi solamente in angoli più piccoli: 1° o anche meno. I raggi X devono appena toccare lo specchio, altrimenti è probabile che siano assorbiti.

Per ottenere quest`angolo cosí piccolo – e focalizzare i raggi X in un singolo punto – gli specchi utilizzati nei telescopi a raggi X sembrano piuttosto degli imbuti (Figure 6). Infatti la forma dello specchio è una combinazione di un paraboloide e un iperboloide e ciò assicura che i raggi X che lo sfiorano vengano riflessi due volte. In questo modo la luce è focalizzata su un detector per formare un` immagine della sorgente a raggi X.

Figura 6:
a) La traiettoria della luce dei raggi X attraverso il XMM-Newton. La navicella porta tre telescopi costituiti ciascuno da 58 specchi nidificati, rivestiti d’oro, a forma di tubo.
b) La combinazione di specchi parabolici e iperbolici usati è mostrata in sezione trasversale attraverso uno dei telescopi
c) I raggi-X che sfiorano le superfici sono riflessi due volte e concentrati su un rivelatore. I raggi X devono lambire lo specchio con angoli di 1° o anche meno, altrimenti sono facilmente assorbiti. Cliccare sull’immagine per ingrandirla

Immagine gentilmente concessa da ESA / AOES Medialab
Figura 7: Gli specchi nidificati
che costituiscono uno dei tre
telescopi a bordo
XMM-Newton

Immagine gentilmente
concessa da ESA

Questa ingegnosa tecnica, chiamata ottica a piccolo angolo di incidenza, ha uno svantaggio principale: per essere riflessi e focalizzati, i raggi X devono passare il più possibile paralleli agli specchi a forma di tubo, sicché questi telescopi raccolgono solo limitate quantità di radiazioni a raggi X. Un telescopio è potente se raccoglie grandi quantità di luce da sorgenti cosmiche lontane; questo è, di solito, ottenuto con grandi specchi. Al contrario, per massimizzare il loro potere, i telescopi a raggi X hanno diversi specchi contenuti l’uno nell’altro, creando una struttura che assomiglia ad un porro gigante. I tre telescopi a bordo dell’osservatorio spaziale dell’ESA XMM-Newton, per esempio, consistono ognuno di 58 specchi nidificati (Figura 7)w6.

Oltre alla loro forma bizzarra, gli specchi di XMM-Newton differiscono dagli specchi dei telescopi convenzionali in quanto sono fatti di nichel rivestito d’oro, piuttosto che di vetro rivestito in alluminio: gli elementi più pesanti sono più propensi a riflettere i raggi X in arrivo (per ulteriori informazioni, vedi Singh, 2005).

Tecniche di osservazione a raggi Gamma

Figura 8a) Rappresentazione
artistica di INTEGRAL che
mette in luce SPI, uno degli
strumenti a maschera-
codificata a bordo della
sonda. Cliccare sull’immagine
per ingrandirla

Immagine gentilmente
concessa da ESA / AOES
Medialab

Se mettere a fuoco i raggi X è impegnativo, mettere a fuoco i raggi gamma – la forma più energetica di luce – è quasi impossibile. Per produrre immagini di sorgenti cosmiche in questa porzione di spettro EM, pertanto, gli astronomi hanno dovuto trovare metodi alternativi.

Molti strumenti per l’astronomia a raggi gamma, compresi quelli a bordo dell’osservatorio spaziale INTEGRAL dell’ESA si basano su una tecnica chiamata riproduzione a maschera-codificata .Questo funziona in modo simile ad una macchina fotografica a foro stenospeico, che non ha nessun obiettivo, solo un minuscolo foro attraverso cui i raggi di luce passano, proiettando un’immagine invertita sulla parete opposta della macchina.

Figura 8b) Come funziona la
macchina fotografica a
maschera-codificata: raggi
gamma da due fonti
astronomiche diverse
passano attraverso i fori
della maschera. Alcuni dei
raggi gamma incidenti
possono passare attraverso
la maschera e illuminare i
pixel sul rilevatore
sottostante (mostrato in blu
e rosso, a seconda della
sorgente), mentre gli altri
sono bloccati dalle macchie
opache della maschera,
proiettando ombre sul
rilevatore (mostrate in
bianco). Cliccare
sull’immagine per ingrandirla

Immagine gentilmente
concessa da ESA / AOES
Medialab

Al posto del singolo buco della macchina fotografica a foro stenospeico, una fotocamera a maschera-codificata ha una maschera con una disposizione speciale di buchi e macchie opache di fronte un rilevatore. I raggi gamma che passano attraverso i fori illuminano alcuni pixel sul rivelatore, mentre altri sono bloccati dalle macchie opache della maschera e gettano ombre sul rilevatore.

La disposizione di pixel chiari e scuri contiene informazioni sulla posizione delle sorgenti di raggi gamma nel cielo, e l’intensità dei pixel illuminati dà informazioni sulla loro lucentezzaw7. Anche se non dettagliate, le immagini risultanti sono utili per sondare alcuni dei fenomeni più potenti dell’universo (Figure 8a e 8b, 9 e 10).

Figura 9: Immagini INTEGRAL della sorgente intermittente IGR J16328-4726 (cinta). Questa fonte astronomica è stata monitorata per diversi anni con INTEGRAL nella estensione di energia di 20-50 keV. Come si può vedere, la luminosità della sorgente varia in modo significativo nel tempo. Gli astronomi ritengono che la fonte sia una supergigante transiente a raggi x veloci: un sistema binario costituito da una stella supergigante molto luminosa e un oggetto compatto, come una stella di neutroni o un buco nero, orbitante uno attorno all’altro. Si ritiene che il flusso irregolare della materia dalla stella supergigante all’oggetto compatto causi la natura intermittente di queste fonti. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da ESA / INTEGRAL / M Fiocchi
Figura 10: Impressione
dell’artista di una
supergigante transiente a
raggi X veloce. Cliccare
sull’immagine per ingrandirla

Immagine gentilmente
concessa da ESA

In arrivo…

Mentre leggete questo articolo gli osservatori XMM-Newton e INTEGRAL dell’ESA stanno girando intorno alla Terra, continuando a guardare oltre il mutevole Universo ad alta energia e contribuendo a svelare le meraviglie celesti. Nel nostro prossimo articolo, esploreremo alcuni di questi fenomeni, come la vita turbolenta e la morte di stelle nella Via Lattea e buchi neri giganteschi al centro di galassie distanti.

 

Altro riguardo l’ESA

L’Agenzia spaziale europea (ESA)w4 è la porta d’ingresso dell’Europa allo spazio, ed organizza programmi per saperne di più sulla Terra, il suo immediato ambiente spaziale, il nostro sistema solare e l’Universo, così come coopera nell’esplorazione umana dello spazio, nello sviluppo di tecnologie satellitari e servizi e per promuovere le industrie europee.

Il consiglio direttivo della scienza e dell’esplorazione robotica si dedica al programma di scienza spaziale dell’ESA e all’esplorazione robotica del sistema solare. Nella ricerca per capire l’universo, le stelle e pianeti e le origini della vita stessa, i satelliti di scienze spaziali ESA scrutano le profondità del cosmo e guardano le galassie più lontane, studiano il sole in dettaglio senza precedenti ed esplorano i nostri vicini planetari.

L’ESA è membro dell’EIROforumw8, l’editore di Science in School.

 


References

Web References

 

Resources

  • Il vodcast Science@ESA esplora il nostro universo attraverso gli occhi della flotta di veicoli scientifici spaziali dell’ESA. Episodio 5 (‘Il selvaggio, violento universo’) offre uno scorcio dell’universo caldo, energetico e spesso violento e le missioni ESA che lo rilevano mediante astronomia a raggi X e gamma .Vedi: http://sci.esa.int/vodcast

Institution

ESA

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgio per ESA-Agenzia spaziale europea, è una scrittrice di scienza per ESA. Laureata in astronomia all’Università di Bologna , Italia, un dottorato di ricerca in cosmologia all’Università di Heidelberg, Germania. Prima di unirsi all’ ESA, ha lavorato presso l’ufficio di sensibilizzazione del pubblico dell’European Southern Observatory (ESO).

Rebecca Barnes, HE operazioni spaziali per ESA – Agenzia spaziale europea, è responsabile di educazione per il consiglio di Driezione della scienza e dell’ esplorazione robotica ESA. Laureata in fisica con astrofisica all’Università di Leicester, UK, in precedenza ha lavorato nei dipartimenti di educazione e comunicazione spaziale del Centro Spaziale Nazionale del Regno Unito. Per scoprire di più circa le attività di istruzione del Consiglio Direttivo di scienza e di esplorazione robotica dell’ESA, contattare Rebecca a SciEdu@esa.int


Review

Questo articolo spiega in modo semplice e comprensibile come i raggi X e raggi gamma sono raccolte da sorgenti cosmiche usando moderni telescopi spaziali e fornisce alcune immagini impressionanti.

Per insegnanti di scienze nelle scuole primarie, l’articolo può fornire la motivazione per costruire un modello di telescopio nelle lezioni, ad esempio utilizzando materiali riciclati –o utilizzando il modello di satellite scaricabile sull’ESA websitew4. Le immagini colorate possono anche essere parte di una mostra di classe.

Insegnanti di scienze o fisica della scuola secondaria (studenti di età compresa tra 11-16) si possono collegare al tema di tecniche di raffigurazione di raggi gamma utilizzando una macchina a foro stenopeico. Questo sarebbe appropriato nelle lezioni di ottica, sottolineando che sia la macchina a foro stenopeico che la sistema di rappresentazione a maschera-codificata lavorano senza un obiettivo ottico.

Le immagini prese dagli osservatoriw4 dell’ESA sarebbero un utile supporto per insegnare l’osservazione dello spazio, contribuendo a familiarizzare gli studenti con i diversi fenomeni astronomici (ad esempio galassie, buchi neri, supernovae, stelle di neutroni o l’annientamento della materia e anti-materia) citati in questo articolo. Potrebbero anche incoraggiare gli studenti a fare qualche ricerca autonoma su settori correlati all’interno del curriculum.

Per gli insegnanti di studenti più grandi, potrebbe essere interessante discutere il tipo di telescopi per l’astronomia ad alta energia che sono a bordo degli osservatori spazio XMM-Newton e INTEGRAL, e le tecniche utilizzate per filtrare i dati fino a quando le immagini vengono estratte completamente (questo potrebbe essere legato alle lezioni IT). Gli studenti potrebbero confrontare la struttura dei telescopi ad alta energia alla fine dello spettro con quella del telescopio ottico e analizzare le difficoltà incontrate durante la loro creazione.


Stephanie Maggi-Pulis, Malta




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