Astronomia a raggi gamma: lo studio dell’universo estremo

I raggi gamma (γ) sono la forma più energetica della radiazione elettromagnetica, caratterizzati da frequenze altissime (superiori a 10¹⁹ Hz) e lunghezze d’onda estremamente brevi (inferiori a 0,01 nanometri). Sono situati all’estremità più estrema dello spettro elettromagnetico, oltre i raggi X, e trasportano un’enorme quantità di energia, capace di ionizzare la materia e alterarne la struttura atomica.

A differenza della luce visibile, i raggi gamma non vengono emessi da processi termici ordinari ma derivano da fenomeni di altissima energia, come il decadimento radioattivo, le reazioni nucleari e le collisioni cosmiche. La loro scoperta e il successivo studio hanno permesso di aprire una finestra su alcuni dei fenomeni più estremi dell’universo.

L’origine dei raggi gamma

I raggi gamma possono avere origine sia naturale che artificiale:

Sulla Terra, vengono prodotti dal decadimento di isotopi radioattivi (come il cobalto-60) e da reazioni nucleari nei reattori o nelle esplosioni atomiche. Anche i fulmini e alcuni processi atmosferici ad alta energia generano raggi gamma.

Nello spazio, nascono da eventi cosmici estremi, tra i quali:

• Lampi Gamma (GRB): le più potenti esplosioni dell’universo, prodotte dalla fusione di stelle di neutroni o dal collasso di ipernove.
• Supernovae: la fase finale esplosiva di una stella massiccia, che genera raggi gamma nelle sue reazioni nucleari.
• Buchi neri e quasar: oggetti estremamente compatti che accelerano particelle fino a emettere fotoni gamma.

Queste sorgenti rappresentano un laboratorio naturale per studiare le leggi fondamentali della fisica in condizioni estreme.

Essendo una radiazione ionizzante, i raggi gamma sono altamente penetranti e in grado di alterare il DNA delle cellule, causando mutazioni genetiche e danni ai tessuti biologici. Per questo motivo, l’esposizione prolungata a elevate dosi di radiazione gamma è letale e viene attentamente monitorata, ad esempio in ambito medico e industriale. Tuttavia, i raggi gamma trovano anche applicazioni benefiche, come nella radioterapia oncologica, dove vengono usati per distruggere cellule tumorali.

Fortunatamente, la Terra è protetta da uno scudo naturale che impedisce ai raggi gamma cosmici di raggiungere la superficie. Gli strati superiori dell’atmosfera, in particolare la ionosfera e lamesosfera, assorbono questa radiazione ad alta energia, trasformandola in altre forme di energia meno pericolose.

Questa barriera naturale, pur salvaguardando la vita sulla Terra, rappresenta una sfida per l’astronomia: i telescopi terrestri non possono osservare direttamente i raggi gamma provenienti dallo spazio. Per questo, gli osservatori a raggi gamma devono essere collocati al di fuori dell’atmosfera, a bordo di satelliti orbitanti o sonde spaziali. Tra i più importanti strumenti per l’osservazione dei raggi gamma troviamo il telescopio spaziale Fermi della NASA e il satellite INTEGRAL dell’ESA, che da anni esplorano il cielo gamma per rivelare i misteri dell’universo.

I raggi gamma furono scoperti alla fine del XIX secolo, in un periodo di straordinari progressi nella fisica delle radiazioni. Nel 1900, il fisico francese Paul Villard stava studiando le emissioni prodotte dal radio, un elemento radioattivo scoperto pochi anni prima da Marie e Pierre Curie. Durante i suoi esperimenti, Villard identificò un tipo di radiazione altamente penetrante, diversa dai raggi alfa e raggi beta già noti. La scoperta venne annunciata in un articolo pubblicato nel 1900 sulla rivista scientifica francese Comptes Rendus de l'Académie des Sciences. Il titolo dell’articolo era: "Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium" .

Non fu subito chiaro che questa nuova radiazione fosse una forma estrema di luce, ma nel 1903 Ernest Rutherford, uno dei padri della fisica nucleare, propose di chiamarla "raggi gamma", seguendo la nomenclatura delle radiazioni già note. Il nome appare quindi per la prima volta nel 1903 sull'articolo "The Magnetic and Electric Deviation of the Easily Absorbed Rays from Radium", pubblicato sulla rivista scientifica Philosophical Magazine.

In questo lavoro, Rutherford descriveva i raggi gamma come una forma di radiazione emessa dal radio, distinta dai raggi alfa e beta, e la chiamò "gamma" seguendo la convenzione numerica già utilizzata per le altre radiazioni. Il termine "gamma" venne quindi associato alla radiazione con la maggiore capacità di penetrazione.

Negli anni successivi, gli studi condotti da James Chadwick e altri fisici confermarono che i raggi gamma erano fotoni ad altissima energia, privi di massa e carica elettrica, emessi durante i processi di decadimento nucleare. Questa scoperta ebbe un impatto rivoluzionario sulla fisica, aprendo la strada allo studio delle reazioni nucleari e alla comprensione delle forze fondamentali della natura.

Dai laboratori alla volta celeste: la nascita dell’astronomia a raggi gamma

Per diversi decenni, i raggi gamma furono considerati un fenomeno legato esclusivamente alla fisica nucleare terrestre, studiato nei laboratori e nei reattori. Nessuno immaginava che questa radiazione potesse essere emessa anche dall’universo. Tuttavia, con il progresso delle tecnologie di rilevazione e lo sviluppo dell’astronomia spaziale, divenne possibile scrutare il cielo in questa banda energetica.

Il primo indizio che i raggi gamma fossero presenti nel cosmo arrivò negli anni ‘50, quando il fisico Eugene Feenberg e l’astrofisico Henry Primakoff ipotizzarono che i processi nucleari all’interno delle stelle potessero generare fotoni gamma. Tuttavia, il vero salto avvenne nel contesto della Guerra Fredda: negli anni ‘60, gli Stati Uniti svilupparono i satelliti militari Vela, progettati per rilevare esplosioni nucleari nell’atmosfera terrestre e verificare il rispetto del Trattato per la messa al bando dei test nucleari.

Con grande sorpresa, nel 1967, i satelliti Vela rilevarono lampi di raggi gamma provenienti dallo spazio profondo. Inizialmente, gli scienziati sospettarono che potessero essere test nucleari segreti, ma studi più approfonditi esclusero questa ipotesi: si trattava di un fenomeno completamente nuovo e di origine cosmica. La scoperta, tenuta segreta per anni per motivi militari, fu finalmente pubblicata nel 1973 da Ray Klebesadel e il suo team del Los Alamos National Laboratory. L'articolo aveva il titolo di "Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin" e venne pubblicato su Astrophysical Journal Letters (Vol. 182, L85-L88): in questo lavoro, Klebesadel, insieme a B. J. Bird e R. L. Evans, riportò l'osservazione di impulsi di raggi gamma provenienti da fonti cosmiche, scoprendo così i lampi gamma come un fenomeno astrofisico di grande interesse. Grazie ai satelliti Vera era nato un nuovo campo di ricerca: l’astronomia a raggi gamma: gli astronomi compresero che per studiare queste emissioni servivano strumenti dedicati, situati fuori dall’atmosfera terrestre  e così negli anni ‘70 e ‘80 furono lanciati i primi osservatori spaziali, come vedremo.

I raggi gamma ci permettono di esplorare l’Universo in modi impensabili con altre bande dello spettro elettromagnetico. Essendo generati da eventi di altissima energia, come esplosioni di supernovae, collisioni tra stelle di neutroni e attività dei buchi neri supermassicci, questa radiazione rivela i processi fisici più estremi dell’Universo. L’astronomia a raggi gamma ci ha permesso di identificare lampi gamma (GRB), studiare la materia oscura e sondare i confini della fisica delle alte energie.

Lampi di raggi gamma

Tra i fenomeni più affascinanti che emergono in questa banda dello spettro vi sono i lampi di raggi gamma (GRB, Gamma-Ray Bursts), brevi e intensi impulsi di radiazione gamma che rappresentano le esplosioni più potenti mai osservate.

Questi lampi coprono un ampio range di energie, da pochi keV (kiloelettronvolt) a oltre 100 GeV (gigaelettronvolt), e sono associati a eventi estremi come il collasso di stelle massicce o la fusione di stelle di neutroni. La loro scoperta avvenne in modo del tutto inatteso alla fine degli anni ’60, quando i satelliti militari Vela, progettati per rilevare test nucleari sulla Terra, registrarono misteriosi segnali gamma provenienti dallo spazio profondo. Per decenni la loro origine rimase un enigma, fino a quando osservazioni mirate con strumenti come il Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) negli anni ’90 e Swift nel 2004 permisero di identificarne la natura cosmica e di collegarli a cataclismi extragalattici.

L’osservazione dei GRB ha portato alla scoperta di eventi straordinari. Tra i più significativi:

• GRB 221009A, registrato nell’ottobre 2022 dal telescopio Fermi, è stato definito "il BOAT" (Brightest Of All Time), il più luminoso mai rilevato, con un’energia superiore a quella di qualsiasi altro GRB osservato ("The brightest GRB ever detected: GRB 221009A as a highly luminous event at z = 0.151", D. B. Malesani et al., arXiv).
• GRB 200826A, un evento anomalo, ha mostrato caratteristiche intermedie tra i GRB lunghi e quelli corti, mettendo in discussione la tradizionale classificazione di questi fenomeni ("Discovery and confirmation of the shortest gamma-ray burst from a collapsar", Tomàas Ahumada et al, Nature).
• GRB 190114C, osservato da Fermi e MAGIC, è stato il primo a mostrare emissione gamma con energie nell’ordine dei TeV, aprendo nuove prospettive nello studio delle alte energie ("GRB 190114C: from prompt to afterglow?", M.E. Ravasio et al., Astronomy & Astrophysics).
• GRB ripetitivi, come quelli associati a magnetar nella Via Lattea, suggeriscono che non tutti i GRB siano eventi catastrofici unici, ma che alcune sorgenti possano emettere impulsi multipli nel tempo.

Supernovae e ipernovae

Quando una stella massiccia raggiunge il termine della sua esistenza, può concludere il suo ciclo vitale con un'esplosione catastrofica, dando origine a una supernova o, in casi estremi, a un'ipernova. Questi eventi cosmici generano enormi quantità di energia e producono un'ampia gamma di radiazioni, tra cui i raggi gamma, che forniscono agli astronomi informazioni cruciali sulla fisica delle esplosioni stellari.

Le supernovae emettono raggi gamma attraverso diversi meccanismi. Un'importante sorgente di questa radiazione è la radioattività degli isotopi prodotti nell'esplosione, in particolare il Nichel-56, che decade in Cobalto-56 ed emette fotoni gamma. Questa firma radioattiva permette agli astronomi di studiare l'evoluzione chimica delle supernovae e la loro luminosità intrinseca.

Oltre alla radiazione prodotta dal decadimento radioattivo, alcune supernovae interagiscono con il mezzo circostante generando potenti shock relativistici, che possono produrre emissione di raggi gamma ad alta energia. Un esempio emblematico è SN 1987A, la supernova più vicina osservata negli ultimi secoli, che ha permesso di studiare l'emissione gamma dovuta al decadimento del Nichel-56.

Ipernovae e lampi di raggi gamma (GRB)

Le ipernovae, esplosioni ancora più potenti delle supernovae, sono strettamente legate alla formazione dei lampi di raggi gamma (GRB). Quando il nucleo di una stella supermassiccia collassa in un buco nero, si genera un disco di accrescimento attorno all’orizzonte degli eventi, che lancia getti relativistici lungo i poli della stella. Se uno di questi getti è orientato verso la Terra, possiamo osservare un GRB.

Il legame tra ipernovae e GRB è stato confermato da osservazioni di eventi come GRB 980425, associato alla supernova SN 1998bw, e GRB 030329, connesso alla supernova SN 2003dh. L’osservazione di queste esplosioni in banda gamma aiuta a comprendere i processi che alimentano le esplosioni più violente dell’universo.

Stelle di neutroni e magnetar

Trattandosi della radiazione elettromagnetica più energetica e penetrante, quella dei raggi gamma viene utilizzata per studiare alcuni dei fenomeni più estremi nell'universo, come le stelle di neutroni e i magnetar. Questi oggetti celesti, per la loro densità incredibile e per i campi magnetici ultra-intensi che li caratterizzano, emettono radiazioni gamma che forniscono preziose informazioni sulla fisica sotto condizioni estreme.

Le stelle di neutroni sono oggetti incredibilmente densi, i cui forti campi gravitazionali e magnetici accelerano le particelle a velocità relativistiche. Questi processi generano radiazioni gamma che gli astronomi possono osservare per comprendere meglio i meccanismi fisici all'interno di questi corpi celesti. Le radiazioni gamma emesse dalle stelle di neutroni sono spesso associate a fenomeni come l’emissione di getti relativistici, in cui le particelle cariche vengono accelerate lungo i poli magnetici della stella. L'interazione tra il campo magnetico e le particelle accelera queste ultime fino a produrre forti emissioni di raggi gamma.

I magnetar, una tipologia particolare di stella di neutroni, sono noti per generare esplosioni di raggi gamma molto potenti. Questi oggetti emettono radiazioni gamma in maniera intermittente, con eventi esplosivi noti come "outbursts". Queste esplosioni sono causate dal rilascio di energia accumulata nei campi magnetici estremamente intensi, che deformano la struttura della stella stessa. Le osservazioni dei raggi gamma provenienti dai magnetar sono fondamentali per capire la natura di questi campi magnetici e come influiscono sulla materia all'interno di tali oggetti.

L'osservazione dei raggi gamma ha contribuito enormemente alla comprensione delle stelle di neutroni e dei magnetar: gli astronomi sono in grado di ottenere dati dettagliati sui processi che avvengono in queste stelle, analizzando le esplosioni di radiazione gamma e le fluttuazioni dei loro getti. Grazie a queste osservazioni, sono stati fatti progressi nella comprensione della precessione dei poli magnetici, delle dinamiche interne delle stelle di neutroni e delle interazioni tra il campo magnetico e la materia circostante.

Inoltre, i raggi gamma emessi dai magnetar sono stati utilizzati per studiare l'origine delle onde gravitazionali, un altro fenomeno astrofisico che ha suscitato grande interesse negli ultimi anni. L'analisi dei burst di raggi gamma provenienti da questi oggetti ha permesso agli astronomi di esplorare nuove frontiere nella comprensione della relatività generale e della fisica delle particelle.

Buchi neri e getti relativistici

L'utilizzo dei raggi gamma nello studio dei buchi neri e dei getti relativistici ha rivelato aspetti fondamentali di questi oggetti estremi. I buchi neri, per loro natura, non emettono radiazione direttamente, ma la materia che attraggono, in particolare quella che forma il disco di accrescimento, può emettere radiazioni molto intense, tra cui i raggi gamma. Questi raggi gamma provengono da fenomeni che si verificano nel vicino spazio-tempo attorno al buco nero, come il riscaldamento della materia nel disco e le interazioni con i getti relativistici.

Un esempio chiave dell’utilizzo dei raggi gamma nello studio dei buchi neri è il sistema binario Cygnus X-1, uno dei primi buchi neri stellari conosciuti. Il telescopio spaziale Fermi Gamma-ray Space Telescope ha rilevato emissioni di raggi gamma provenienti da questo sistema, che si ritiene derivino da particelle accelerate nel disco di accrescimento del buco nero. L'emissione di raggi gamma in questa regione è correlata quindi a processi di accelerazione delle particelle, dove la gravità estrema e il forte campo magnetico accelerano le particelle a velocità relativistiche, producendo radiazioni gamma. Stesso esempio può essere riportato per il buco nero supermassiccio al centro della galassia M87: a parte la prima immagine diretta ottenuta da Event Horizon Telescope, infatti, l'osservazione dei raggi gamma da parte di telescopi come il Fermi Gamma-ray Space Telescope ha fornito informazioni aggiuntive sulle dinamiche del disco di accrescimento e dei getti relativistici: i raggi gamma, anche inquesto contesto, sono emessi da particelle accelerate nel getto relativistico che si estende dal buco nero a velocità prossime a quelle della luce. L'intensa radiazione gamma è il risultato della compressione e accelerazione delle particelle nella regione di alta energia lungo il getto.

Un altro esempio importante di studio dei getti relativistici in raggi gamma è quello di blazar come 3C 279. Questi oggetti emettono enormi quantità di radiazione a tutte le lunghezze d'onda, compresi i raggi gamma. L’osservazione di 3C 279 tramite il telescopio Fermi ha rivelato picchi di emissione gamma durante i periodi di accrescimento elevato e attività del getto, fornendo informazioni fondamentali sulla dinamica e sulla struttura dei getti relativistici. In particolare, l'intensità e le fluttuazioni della radiazione gamma possono indicare il comportamento delle particelle accelerate e le interazioni all'interno del getto, contribuendo alla comprensione di come tali getti riescano a generare radiazioni così energetiche.

L'emissione di raggi gamma dai getti relativistici è un potente strumento per testare i modelli teorici di accelerazione delle particelle. Uno dei modelli più utilizzati è il modello di accelerazione in shock. Quando le particelle si scontrano con un’onda di shock, esse vengono accelerate a velocità relativistiche, e questo processo produce radiazioni in varie lunghezze d'onda, inclusi i raggi gamma. Alcuni modelli teorici suggeriscono che i getti relativistici di buchi neri e quasar contengano regioni in cui le particelle vengono accelerate ripetutamente, generando emissioni di raggi gamma che variano nel tempo.

Il modello di comptonizzazione inversa è anche ampiamente utilizzato per spiegare l’emissione di raggi gamma nei getti. In questo processo, le particelle accelerate nel getto interagiscono con fotoni a bassa energia, come quelli provenienti dal disco di accrescimento o da una nube di gas circostante, trasferendo loro energia e producendo così fotoni ad alta energia, inclusi i raggi gamma.

Infine, un campo di grande interesse è lo studio delle radiazioni di Hawking, una proposta teorica che suggerisce che i buchi neri possano emettere una debole radiazione di particelle. Sebbene questa radiazione sia ancora un argomento di ricerca teorica, alcuni esperimenti con i telescopi gamma hanno cercato di rilevare segnali provenienti dalla vicinanza di buchi neri supermassicci. Sebbene finora non siano stati trovati segnali definitivi, queste ricerche contribuiscono a testare la validità delle previsioni della relatività generale e della meccanica quantistica nell'ambito dei buchi neri.

Materia oscura

Lo studio della materia oscura è uno degli ambiti più affascinanti e misteriosi dell'astrofisica moderna. Sebbene la materia oscura non emetta, assorba o rifletta luce, quindi non possa essere osservata direttamente, il suo effetto gravitazionale sugli oggetti visibili nell'universo, come stelle, galassie e ammassi di galassie, è evidente. La ricerca sulla materia oscura è uno dei principali obiettivi della cosmologia, e l'utilizzo dei raggi gamma per studiarla è una delle metodologie più promettenti.

I raggi gamma sono la forma di radiazione elettromagnetica più energetica e, quindi, una potenziale finestra per esplorare i processi fisici che potrebbero derivare dall'interazione della materia oscura. In particolare, si ritiene che la materia oscura possa essere composta da particelle subatomiche ancora sconosciute, come i WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), che potrebbero annichilarsi tra loro, producendo radiazioni ad alta energia, tra cui i raggi gamma. L'osservazione di questa radiazione gamma è quindi una delle vie per rilevare indirettamente la materia oscura.

Quando due particelle di materia oscura si annichilano, possono produrre particelle come fotoni, elettroni o neutrini, ma nel caso più interessante per gli astronomi, si pensa che vengano emessi raggi gamma. Questi fotoni possono viaggiare per milioni o miliardi di anni luce, trasportando informazioni vitali sulla natura della materia oscura e sulle sue interazioni.

L’osservazione dei raggi gamma provenienti da regioni dense di materia oscura, come il centro della Via Lattea, potrebbe quindi rivelare segnali di annichilazione di particelle di materia oscura. Se esistono delle “linee” nei dati delle osservazioni di raggi gamma, che non possono essere spiegate da altre fonti conosciute, questo potrebbe essere un indizio della presenza di materia oscura. Il centro della Via Lattea è una delle regioni più promettenti per la ricerca della materia oscura. La concentrazione di stelle, gas e polveri, insieme alla presenza di un buco nero supermassiccio al centro, rende quest'area un laboratorio naturale per esplorare fenomeni astrofisici estremi. Tuttavia, è anche una zona con una notevole densità di particelle, il che rende le osservazioni più complesse. Nonostante ciò, questa regione è anche quella in cui ci si aspetta di trovare la maggior parte della materia oscura nella nostra galassia.

Raggi cosmici di altissima energia

I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche ad altissima energia che, nel contesto dell'astrofisica, svolgono un ruolo cruciale nello studio dei raggi cosmici ad altissima energia (Ultra High Energy Cosmic Rays, UHECR). Queste particelle, che trasportano energie superiori a 5×10¹⁹ eV, sono tra gli oggetti più energetici osservabili nell'universo e la loro origine rimane uno dei più grandi misteri dell'astrofisica.

L'interazione dei raggi gamma con l'atmosfera terrestre può generare cascami di particelle secondarie, note come sciami atmosferici. Questi sciami possono essere rilevati da telescopi specializzati, come il sistema H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), che utilizza il metodo dell'effetto Čerenkov in atmosfera. Tale osservazione consente di ricostruire le proprietà delle particelle primarie, fornendo informazioni sulla loro energia, composizione e direzione di provenienza.

Struttura dell’universo primordiale

I raggi gamma sono fondamentali anche per ottenere informazioni cruciali sull'universo primordiale, ossia le prime fasi dell'universo dopo il Big Bang. Queste radiazioni, emesse da eventi estremi come lampi gamma e supernove nelle prime fasi dell'universo, attraversano lo spazio intergalattico e giungono fino a noi, permettendoci di osservare e studiare le condizioni fisiche e chimiche dell'universo nelle sue fasi iniziali. Questo anche se durante il tragitto l'effetto redshift fa sì che le osservazioni non avvengano nello spettro gamma ma a lunghezze d'onda maggiori.

L’osservazione dei raggi gamma rappresenta una delle sfide più grandi nell’astronomia, data l’energia estremamente elevata di questa radiazione. I fotoni gamma interagiscono fortemente con la materia e, per tale motivo, non possono penetrare l’atmosfera terrestre, che li assorbe completamente. Pertanto, per studiare l’universo in questa banda dello spettro elettromagnetico, è necessario utilizzare strumenti spaziali. Tuttavia, la semplice rivelazione dei raggi gamma non è sufficiente; è necessario trasformare questi segnali di alta energia in dati interpretabili, e questo avviene grazie a sofisticate tecnologie.

Come si catturano i raggi gamma e come si convertono in dati

I fotoni gamma, data la loro energia, interagiscono con la materia in modi diversi, ma i due principali tipi di rivelatori utilizzati per misurare queste radiazioni sono i rivelatori a scintillazione e i rivelatori a semiconduttore.

I rivelatori a scintillazione funzionano grazie a materiali speciali (come ioduro di sodio NaI) che emettono luce quando un fotone gamma li colpisce. Questa scintillazione viene quindi convertita in un segnale elettrico da un fotomoltiplicatore che misura la quantità di luce prodotta. Poiché l'intensità della scintillazione è proporzionale all'energia del fotone gamma, è possibile misurare l'energia del fotone osservato.

I rivelatori a semiconduttore (come quelli a germanio o silicio), invece, sfruttano la capacità dei semiconductori di generare una corrente elettrica quando i fotoni gamma colpiscono il materiale. L'energia del fotone incidente viene trasferita al materiale, provocando il rilascio di elettroni che generano una corrente misurabile. Questo tipo di rivelatori è particolarmente utile per misurare l'energia con alta precisione, e per questo motivo sono utilizzati per applicazioni che richiedono una risoluzione energetica elevata.

Un’altra tecnologia utilizzata per i raggi gamma è l’Effetto Cherenkov, che si verifica quando una particella carica viaggia a una velocità superiore alla velocità della luce nel materiale (come l'atmosfera o l'acqua). Questo effetto produce una luce blu, che può essere catturata da telescopi terrestri per rilevare l'energia dei fotoni gamma. Questa tecnica è alla base dei telescopi Cherenkov, che sono una delle più recenti innovazioni nella rivelazione di raggi gamma.

I principali strumenti per l'astronomia a raggi gamma e le loro scoperte

L'astronomia a raggi gamma ha visto il progresso e il successo dei rivelatori e telescopi spaziali, che sono stati i protagonisti di molte scoperte fondamentali. Ogni strumento ha contribuito in modo unico, offrendo nuove informazioni sull'universo ad alta energia.

Vela (1963)

In un quadro fatto di tensioni globali, dove la corsa agli armamenti nucleari era al suo apice, nel 1963 gli Stati Uniti lanciarono i satelliti Vela, un progetto congiunto del Dipartimento della Difesa e dell'Atomic Energy Commission. La loro missione principale era quella di fungere da sentinelle nello spazio, monitorando il rispetto del Trattato di divieto parziale dei test nucleari. In particolare, i primi due satelliti Vela 1A e Vela 1B furono lanciati il 17 ottobre 1963, a bordo di un razzo Atlas-Agena D. Questi satelliti furono immessi in un'orbita alta, quasi circolare, a circa 100.000 km di altitudine. Questa orbita, ben al di sopra delle fasce di Van Allen, permetteva una copertura ampia e una lunga durata operativa.

I satelliti Vela erano dotati di una serie di strumenti sofisticati per l'epoca, progettati per rilevare le firme di un'esplosione nucleare. Tra questi:

• Rivelatori di raggi X e raggi gamma: questi strumenti erano in grado di rilevare l'emissione di raggi X e raggi gamma ad alta energia, un segnale distintivo di un'esplosione nucleare.
• Rivelatori di neutroni: per rilevare il flusso di neutroni, un'altra componente caratteristica di un'esplosione nucleare.
• Sensori di luce (bhangmeter): questi sensori erano progettati per rilevare il lampo di luce visibile prodotto da un'esplosione nucleare, anche a grandi distanze.

Questi strumenti lavoravano in sinergia per catturare anche le minime tracce di radiazioni, fornendo un sistema di allerta precoce in caso di violazione del trattato. Ma i satelliti Vela non si limitarono a svolgere il loro compito principale: durante la loro missione, fecero una scoperta inaspettata: i lampi gamma cosmici. Questi eventi, provenienti da profondità cosmiche, erano un fenomeno completamente nuovo per gli scienziati. I satelliti Vela furono i primi a rilevarli, aprendo un nuovo capitolo nell'astrofisica.

OSO-7 (1972)

In un'epoca in cui la scienza solare stava compiendo passi da gigante, la NASA - a settembre 1971 - lancia il satellite OSO-7, parte del programma Orbiting Solar Observatory. La sua missione primaria era quella di studiare il Sole in un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dai raggi X all'ultravioletto, ma i suoi strumenti hanno permesso di ottenere dati significativi anche su altri oggetti celesti, inclusi quelli che emettono raggi gamma. OSO-7 era infatti dotato di un rivelatore di raggi gamma duri, che gli consentiva di rilevare emissioni ad alta energia provenienti da diverse sorgenti celesti.Questi strumenti hanno permesso di studiare le emissioni di raggi gamma da eventi come le esplosioni di supernove e le stelle di neutroni, in particolare le pulsar. 

La sua operatività si basava su una struttura ingegnosa: una "vela" stabilizzata, che puntava costantemente verso il Sole, e una "ruota" rotante, che forniva stabilità al satellite. Questa configurazione permetteva di effettuare osservazioni continue e di alta precisione dei fenomeni solari. I risultati hanno riguardato essenzialmente brillamenti solari ma, come secondo aspetto, anche relativamente a stelle di neutroni e supernovae.

Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) 

Lanciato il 5 aprile 1991 dallo Space Shuttle Atlantis, il CGRO fu il secondo dei "Grandi Osservatori" della NASA, una serie di telescopi spaziali progettati per coprire diverse lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico. A differenza dei precedenti satelliti che avevano esplorato il cielo a raggi gamma in modo più limitato, il CGRO era un osservatorio completo, progettato per mappare l'intero cielo a raggi gamma con una sensibilità e una precisione senza precedenti.

CGRO. Crediti NASA

La sua operatività si basava su un'orbita terrestre bassa, a circa 450 km di altitudine, per ridurre l'interferenza delle radiazioni terrestri. La sua missione principale era quella di studiare le sorgenti di raggi gamma nell'universo, inclusi nuclei galattici attivi, supernove, pulsar e lampi gamma. Il CGRO era in grado di osservare raggi gamma in un intervallo di energia vastissimo, da 20 keV a 30 GeV, coprendo sei ordini di grandezza.

A bordo, il CGRO trasportava quattro strumenti principali: BATSE, OSSE, COMPTEL ed EGRET. Questi strumenti lavoravano in sinergia per fornire una visione completa del cielo a raggi gamma. Grazie al CGRO, gli scienziati hanno potuto dimostrare che i lampi gamma provengono da distanze cosmologiche, hanno mappato la distribuzione delle sorgenti di raggi gamma nella Via Lattea e in altre galassie, hanno scoperto nuove sorgenti di raggi gamma e hanno studiato i nuclei galattici attivi. I dati del CGRO hanno fornito informazioni preziose sulla fisica delle alte energie e sulla struttura dell'universo.

Fermi Gamma-ray Space Telescope (2008) 

Lanciato l'11 giugno 2008 da Cape Canaveral, il Fermi Gamma-ray Space Telescope, precedentemente noto come GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), è un osservatorio spaziale della NASA progettato per studiare l'universo nelle lunghezze d'onda dei raggi gamma. A differenza dei precedenti osservatori di raggi gamma, Fermi è in grado di osservare un'ampia gamma di energie, dai pochi MeV ai centinaia di GeV, fornendo una visione completa del cielo ad alta energia. Fermi opera in un'orbita terrestre bassa, a circa 565 km di altitudine, per ridurre l'interferenza delle radiazioni terrestri e la sua missione principale è quella di studiare le sorgenti di raggi gamma nell'universo, inclusi nuclei galattici attivi, pulsar, lampi gamma, resti di supernova e materia oscura. Fermi è in grado di mappare l'intero cielo a raggi gamma ogni tre ore, fornendo una copertura completa e continua dell'universo ad alta energia. 

Come strumentazione, Fermi trasporta due strumenti principali:

• LAT (Large Area Telescope): uno strumento ad alta energia progettato per rilevare raggi gamma con energie superiori a 20 MeV.
• GBM (Gamma-ray Burst Monitor): uno strumento progettato per rilevare lampi gamma con energie comprese tra 8 keV e 40 MeV.

Un'altra scoperta fondamentale di Fermi è stata la mappatura di radiogalassie emettenti raggi gamma, che ha permesso di studiare il comportamento dei getti relativistici e la dinamica di buchi neri supermassicci.

Telescopi Cherenkov sulla Terra

Oltre agli strumenti spaziali, esistono anche telescopi Cherenkov terrestri che sono stati essenziali per l'astronomia a raggi gamma. Questi telescopi sfruttano l'effetto Cherenkov per rivelare la radiazione gamma ad altissima energia che viene assorbita dall'atmosfera terrestre.

H.E.S.S.

Il telescopio High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), situato nel deserto con aria limpida e secca della Namibia, ha contribuito in modo significativo alla scoperta di nuove sorgenti di raggi gamma, tra cui pulsar e blazar. Questo telescopio - gestito da una collaborazione internazionale di vari paesi quali Germania, Francia, Regno Unito, Namibia, Polonia, Rep. Ceca, Svezia, Austria, Sudafrica, Irlanda e Giappone, ha anche contribuito alla mappatura della radiazione gamma proveniente da regioni molto lontane dell'universo, contribuendo in modo cruciale alla nostra comprensione dei gamma-ray bursts e di eventi cosmici estremi.

I cinque telescopi di H.E.S.S. Crediti Wikipedia, Creative Common

H.E.S.S. è un osservatorio astronomico terrestre dedicato allo studio dei raggi gamma ad altissima energia. Situato in Namibia, è composto da una rete di telescopi Cherenkov, progettati per rilevare la debole luce emessa quando i raggi gamma interagiscono con l'atmosfera terrestre.

Si compone di cinque telescopi Cherenkov, dei quali uno di dimensioni superiori agli altri quattro in modo da ottenere una visione stereoscopica degli eventi atmosferici, migliorando la precisione delle osservazioni. I quattro telescopi minori (H.E.S.S. I) sono operativi dal 2003 mentre quello maggiore è operativo dal 2012. Tra i risultati, è stato il primo telescopio Cherenkov a ottenere un'immagine in due dimensioni di una sorgente estesa di raggi gamma, il resto di supernova RX J1713.7-3946. Ha inoltre contribuito significativamente alla comprensione dei meccanismi di accelerazione delle particelle ad altissima energia nell'universo e ha permesso di scoprire nuove sorgenti di raggi gamma e di studiare le proprietà di quelle già conosciute.

MAGIC

Il Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) è un sistema di due telescopi Cherenkov situato sull'isola di La Palma, nelle Isole Canarie, ad un'altitudine di circa 2200 metri sul livello del mare. Questa posizione è stata scelta per la sua atmosfera limpida e buia, condizioni ottimali per le osservazioni Cherenkov. I telescopi MAGIC sono progettati per catturare la luce bluastra dell'effetto Cherenkov e ricostruire la direzione e l'energia del raggio gamma originale. Si tratta di due telescopi (MAGIC-I operante dal 2004 e MAGIC-II dal 2009) che operano congiuntamente, il che consente di effettuare osservazioni stereoscopiche, migliorando la precisione e la sensibilità delle misurazioni. Tra gli obiettivi ci sono lo studio di resti di supernova, pulsar, AGN, lampi gamma e materia oscura.  Tra i risultati, si annoverano l'osservazione di emissioni da parte di molte sorgenti 

VERITAS

VERITAS, acronimo di Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, è un osservatorio astronomico terrestre dedicato allo studio dei raggi gamma ad altissima energia. Situato presso l'Osservatorio Fred Lawrence Whipple (FLWO) sul monte Hopkins, in Arizona, VERITAS è costituito da una rete di quattro telescopi Cherenkov. Questi telescopi sono progettati per rilevare la debole luce Cherenkov prodotta quando i raggi gamma interagiscono con l'atmosfera terrestre, permettendo agli scienziati di studiare le sorgenti di raggi gamma ad altissima energia nell'universo.

VERITAS. Crediti veritas.sao.arizona.edu

VERITAS studia una vasta gamma di sorgenti di raggi gamma ad altissima energia, tra cui resti di supernova, pulsar, nuclei galattici attivi e lampi gamma. L'osservatorio ha contribuito a numerose scoperte importanti, come l'osservazione di emissioni di raggi gamma da resti di supernova, fornendo informazioni preziose sull'accelerazione di particelle ad alta energia. VERITAS ha anche giocato un ruolo chiave nello studio dei nuclei galattici attivi e nella ricerca di materia oscura.

VERITAS è il frutto di una collaborazione internazionale che coinvolge istituzioni scientifiche di Stati Uniti, Canada, Irlanda e Germania. L'osservatorio è stato messo in funzione nel 2007, dopo una fase di costruzione e test iniziata nel 2003. Da allora, VERITAS ha continuato a fornire dati preziosi per la comunità scientifica, contribuendo alla nostra comprensione dell'universo ad altissima energia.

L'astronomia dei raggi gamma ha prodotto una serie di cataloghi e survey che hanno rivoluzionato la nostra comprensione dell'universo ad alta energia e che risultano in costante aggiornamento. È importante notare che la maggior parte dei cataloghi moderni deriva dal telescopio spaziale Fermi, grazie alla sua sensibilità e copertura del cielo. I telescopi Cherenkov da terra forniscono dati complementari ad altissima energia, permettendo di studiare i fenomeni più estremi dell'universo. Recentemente, tecniche avanzate di analisi dei dati hanno permesso di aumentare notevolmente il numero di sorgenti di raggi gamma conosciute, semplicemente sottoponendo gli stessi dati a più raffinati algoritmi di analisi.

Tra i cataloghi più importanti, quindi, troviamo sicuramente quelli prodotti dal telescopio spaziale Fermi, in particolare dal suo strumento Large Area Telescope (LAT). Questi catalogh rappresentano una delle fonti più complete e aggiornate di dati sui raggi gamma, contenendo migliaia di sorgenti, inclusi nuclei galattici attivi, pulsar, resti di supernova e sorgenti non identificate. Fermi produce anche cataloghi di lampi gamma, grazie al LAT e al Gamma-ray Burst Monitor (GBM). In particolare possiamo citare: 

1. Primo Catalogo delle Sorgenti Fermi-LAT (1FGL): Pubblicato nel 2010, questo catalogo copre i primi 11 mesi di osservazione, identificando 1.451 sorgenti con energie tra 100 MeV e 100 GeV (link).

2. Secondo Catalogo delle Sorgenti Fermi-LAT (2FGL): Rilasciato nel 2011, include dati dei primi 24 mesi di osservazione, con un totale di 1.873 sorgenti rilevate nello stesso intervallo energetico (link).

3. Terzo Catalogo delle Sorgenti Fermi-LAT (3FGL): Pubblicato nel 2015, si basa su quattro anni di dati e identifica 3.033 sorgenti con energie tra 100 MeV e 300 GeV.

4. Quarto Catalogo delle Sorgenti Fermi-LAT (4FGL): La terza release di questo catalogo (4FGL-DR3), pubblicata nel 2022, copre 12 anni di dati e comprende 6.658 sorgenti con energie tra 50 MeV e 1 TeV (link).

5. Catalogo dei Lampi Gamma Fermi-GBM: Questo catalogo presenta l'analisi spettrale di 943 lampi gamma rilevati dal Gamma-ray Burst Monitor (GBM) nei primi quattro anni di operatività di Fermi (link).

6. Catalogo dei Lampi Gamma ad Alta Energia Fermi-LAT: Pubblicato nel 2023, questo catalogo documenta 186 lampi gamma di alta energia osservati dal LAT in dieci anni di osservazione (link).

7. Catalogo delle Sorgenti Transienti Extragalattiche Fermi-LAT (1FLT): Rilasciato nel 2021, questo catalogo identifica sorgenti transitorie extragalattiche analizzando dieci anni di dati del LAT (link).

Prima di Fermi, il Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) ha fornito cataloghi fondamentali, con dati provenienti dai suoi quattro strumenti. In particolare, il catalogo EGRET ha mappato il cielo ad alta energia. EGRET è stato uno dei primi cataloghi fondamentali di sorgenti di raggi gamma, derivato dai dati raccolti dallo strumento EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) a bordo del satellite CGRO e operante tra 30 MeV e 30 GeV. Il catalogo principale prodotto da EGRET è stato il Terzo Catalogo di Sorgenti EGRET (3EG), pubblicato nel 1999. Comprendeva 271 sorgenti di raggi gamma, molte delle quali di natura ancora sconosciuta all’epoca. 

Per quanto riguarda le survey basate su osservazioni da terra, i telescopi Cherenkov come H.E.S.S., MAGIC e VERITAS producono cataloghi di sorgenti di raggi gamma ad altissima energia. H.E.S.S., con il suo catalogo, ha contribuito significativamente alla mappatura del cielo nell'emisfero australe, mentre MAGIC e VERITAS si concentrano su sorgenti galattiche ed extragalattiche.

L'astronomia a raggi gamma è in procinto di vivere una nuova era grazie a progetti innovativi e all'implementazione di strumenti all'avanguardia.

Il telescopio spaziale Fermi continuerà a operare, fornendo dati preziosi per molti anni a venire. Gli scienziati stanno lavorando a nuove tecniche di analisi per estrarre informazioni ancora più dettagliate dai dati di Fermi. Sono in fase di studio diverse missioni spaziali per l'osservazione dei raggi gamma, con l'obiettivo di migliorare la sensibilità e la risoluzione delle osservazioni.

Uno dei protagonisti di questo futuro si trova invece sul suolo terrestre ed è il Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), destinato a diventare l'osservatorio più avanzato per lo studio dei raggi gamma da terra e sicuramente il progetto più ambizioso nel campo dell'astronomia Cherenkov.

Struttura del CTAO. Crediti ctao.org

Il CTAO è concepito come un array di telescopi distribuiti in entrambi gli emisferi: il sito nell'emisfero meridionale sarà situato in Cile, mentre quello nell'emisfero settentrionale alle Isole Canarie, in Spagna. Questa configurazione garantirà una copertura completa del cielo, permettendo osservazioni senza precedenti delle sorgenti di raggi gamma. Con oltre 60 telescopi di varie dimensioni, il CTAO offrirà una sensibilità fino a dieci volte superiore rispetto agli attuali strumenti, coprendo un intervallo energetico che va da 20 GeV a oltre 300 TeV. Questa ampia gamma energetica consentirà di esplorare fenomeni astrofisici estremi, come buchi neri supermassicci, resti di supernova e la ricerca di materia oscura. La sede principale del CTAO è a Bologna, Italia.

Un passo significativo verso la realizzazione del CTAO è avvenuto nel gennaio 2025, quando la Commissione Europea ha ufficialmente riconosciuto l'osservatorio come un Consorzio Europeo per le Infrastrutture di Ricerca (ERIC). Questo status facilita la collaborazione internazionale e l'accesso ai finanziamenti necessari per completare la costruzione e l'operatività dell'osservatorio. L'INFN italiano (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) gioca un ruolo chiave nel progetto, contribuendo in particolare alla realizzazione dei Large-Sized Telescopes (LST), fondamentali per la rilevazione dei raggi gamma a bassa energia.

Parallelamente, il progetto CTA PLUS (CTA+) mira a potenziare ulteriormente le capacità del CTAO. Finanziato nell'ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR), CTA+ prevede l'integrazione di ulteriori telescopi e l'implementazione di tecnologie avanzate per migliorare la sensibilità e la risoluzione dell'osservatorio. Questo progetto, coordinato da istituzioni italiane, rafforza il ruolo dell'Italia nella comunità scientifica internazionale dedicata all'astrofisica delle alte energie.

Inoltre, l'adozione di configurazioni ottiche innovative, come i sistemi a doppio specchio, rappresenta un significativo avanzamento tecnologico. Questi design permettono una migliore focalizzazione della luce Cherenkov, migliorando la qualità delle immagini e l'efficienza nella rilevazione dei raggi gamma. Tali miglioramenti sono essenziali per approfondire la nostra comprensione dei processi astrofisici ad alta energia e per scoprire nuove sorgenti di raggi gamma nell'universo.