martedì 29 novembre 2016

Swift: da dove vengono i raggi gamma?


Pochi ne parlano, tutti lo vogliono. È il satellite Swift, realizzato dalla NASA in collaborazione con Italia e Regno Unito, a cui dal 2004 è stato affidato l’arduo compito di studiare i misteriosi lampi di raggi gamma, o gamma-ray burts. Ma oltre a questo, Swift fa un mucchio di altre cose e collabora con numerose missioni, perché la sua velocità di puntamento e la capacità di analisi fanno gola a molte ricerche, non ultima quella sulle onde gravitazionali. 

I raggi gamma sono stati osservati per la prima volta da satelliti militari statunitensi nel 1967. All’epoca si era in piena Guerra Fredda e gli scopritori temettero che provenissero da test eseguiti dall’Unione Sovietica. Quindi, finché non capirono che non si trattava di qualcosa di pericoloso non avvisarono nemmeno la comunità scientifica.

Queste onde elettromagnetiche sono potentissime, oscurano anche il Sole. All’inizio si pensava che fossero interne all’atmosfera per quanto fossero energetiche, invece poi, grazie ai satelliti, si è scoperto che erano addirittura di provenienza extragalattica. Provengono appunto dalle esplosioni di raggi gamma, o gamma-ray burst, che sono più potenti persino delle supernove, anzi sono le esplosioni più forti in assoluto nell’Universo dopo il Big Bang.

I raggi gamma sono sprigionati da particelle accelerate che impattano tra loro fin quasi alla velocità della luce. Non è facile osservarli perché la loro direzione è concentrata in getti, non è isotropa come la luce del Sole, che viene cioè emessa in tutte le direzioni. Quindi per osservare i raggi gamma è necessario che l’angolo di vista di un telescopio sia allineato con i getti.

Tutto questo, e molto altro, ce l’ha spiegato Donatella Cea, ricercatrice presso la missione Swift nel quartier generale della NASA, a Washington.

Che cosa potrebbe nascondersi dietro ai lampi gamma?

Al momento esistono due modelli scientifici molto accreditati che descrivono i gamma-ray burst. Un modello prevede che i lampi gamma siano generati da una stella molto massiccia, la quale collassa generando un buco nero. Successivamente si forma un disco di materiale intorno al buco nero dal quale si generano dei getti di luce gamma lungo l’asse rotazionale dell’oggetto.
Un altro modello che spiega le esplosioni di raggi gamma prevede la coalescenza di un sistema binario stretto, cioè di due stelle di neutroni, una stella di neutroni e un buco nero, o due buchi neri. Secondo il modello, questi due oggetti molto compatti orbitano l’uno intorno all’altro e la loro distanza diminuisce sempre di più fino a quando non coalescono, non si uniscono, generando un nuovo buco nero che emette raggi gamma. Questo modello è molto attuale in quanto si pensa che quando il sistema binario coalesce, cioè si avvicina pian piano fino alla fusione, increspa lo spaziotempo generando anche le onde gravitazionali.

Qual è il ruolo di Swift nello studio delle onde gravitazionali?

Lo scorso febbraio, e poi a giugno, sono state rivelate delle onde gravitazionali. La loro osservazione ha confermato le teorie di Einstein, però ora manca da sapere bene qual è il sistema che le genera. Per fare questo sarebbe necessario osservare la controparte elettromagnetica, cioè un segnale che non sia gravitazionale ma dato da fotoni e altre onde elettromagnetiche.
Ed è qui che entra in gioco Swift: attraverso il satellite è possibile ricercare l’origine delle onde gravitazionali. Si pensa che i lampi gamma siano una sorta di “spia luminosa” del sistema che genera le onde gravitazionali, quindi l’idea è che attraverso i gamma-ray burst si possano identificare, e studiare, le fonti delle onde gravitazionali già rivelate. Swift può dare una grossa mano in tal senso, anche se l’esistenza della controparte elettromagnetica negli eventi che generano le onde gravitazionali non è stata ancora dimostrata appieno. Ma potrebbe dimostrarlo Swift.

È possibile agire al contrario? Cioè osservare un lampo gamma e poi cercare le onde gravitazionali emesse da quell’evento?

Questo non si può fare perché l’onda gravitazionale è data dall’avvicinarsi progressivo di un sistema binario, di due stelle di neutroni o buchi neri che ruotano tra loro, quindi è un fenomeno precedente alle esplosioni di raggi gamma. Quando viene osservato il lampo gamma l’esplosione, quindi l’unione di stelle di neutroni o buchi neri, c’è già stata, e le onde gravitazionali si sono propagate. Comunque, siccome i tempi sono ristretti tra un evento e l’altro, è molto importante, una volta che viene rivelata un’onda gravitazionale, puntare tutti i satelliti attrezzati verso quella zona di cielo per cercare di vedere le controparti elettromagnetiche e capire qualcosa di più in merito alla sorgente.

In che modo Swift può eseguire le sue indagini?

Swift è da sempre una missione chiave per i raggi gamma perché i lampi gamma sono rapidissimi, durano da qualche millisecondo a massimo una decina di minuti, ed è quindi importante puntare velocemente i telescopi verso la sorgente. Swift è grandioso da questo punto di vista, in quanto è stato costruito in maniera da avere un rapidissimo puntamento automatico del telescopio. Entro tre minuti, Swift è in grado di ruotare e puntare la regione di cielo in cui è avvenuta l’esplosione.
A bordo del satellite ci sono tre strumenti. Uno di questi rivela i raggi gamma, e si definisce «a grande campo» perché monitora una grande zona di cielo. Quando viene rivelato un raggio gamma, questo strumento è in grado di far ruotare il puntatore in modo che gli altri due strumenti di bordo, che vedono nei raggi X e nell’ottico, siano puntati verso la sorgente. Infatti per studiare le sorgenti di raggi gamma non è sufficiente osservare solamente la banda gamma, ma è necessario anche osservare la controparte fatta di raggi X e luce visibile perché queste altre informazioni permettono di misurare la distanza della sorgente e avere altre informazioni su di essa. I tre  telescopi a bordo di Swift si chiamano rispettivamente BAT (Burst Alert Telescope), XRT (X-ray Telescope) e UVOT (UV/Optical Telescope). BAT rivela i raggi gamma, XRT i raggi X e UVOT osserva nell’ultravioletto e nell’ottico.

Qual è il ruolo di Swift nelle numerose ricerche e missioni con le quali collabora?

La missione più complementare è quella del telescopio spaziale Fermi, l’altra missione che studia i gamma-ray burst. Le collaborazioni di Swift sono davvero tante, e tra queste figurano il Chandra X-ray Observatory e il telescopio spaziale Hubble, però il modo in cui Swift collabora con la missione Fermi è particolarmente indicativo. Come si è detto in precedenza, per osservare i lampi gamma c’è bisogno di telescopi che possano monitorare un’ampia zona di cielo. Fermi ha uno strumento che si chiama LAT (Large Area Telescope) e vede una grandissima zona di cielo. Quando il LAT osserva un presunto lampo gamma invia un segnale di allerta a Swift che, grazie al suo velocissimo puntatore, si gira e osserva la zona identificata. La morale della favola è che quando viene scoperta una sorgente ad alta energia non spiegabile, la cui origine non è chiara, il primo strumento che interviene è Swift perché la sua velocità e i suoi strumenti di analisi sono molto richiesti.

Perché è importante studiare le esplosioni di raggi gamma?

C’è una doppia rilevanza. Una è quella di capire meglio la fisica dei buchi neri, gli oggetti più misteriosi dell’Universo. Più in generale, però, la missione contribuisce anche a rispondere a una grande domanda della fisica in merito al Modello Standard, la teoria che descrive l’Universo. Sto parlando del famigerato «problema dei barioni mancanti»: i nostri modelli prevedono che a formare la materia del Cosmo ci sia un certo numero di barioni – un tipo di particelle subatomiche – anche se poi i conti non tornano. In questo i gamma-ray burst  sono fondamentali perché, riuscendo a essere visti a distanze grandissime, fanno come da faro “illuminando” le strutture cosmiche e permettendo, in tal modo, di fare una diagnosi del materiale che costituisce l’Universo.
Il caso dei barioni mancanti è emblematico. Per descrivere l’Universo utilizziamo quello che si definisce il Modello Cosmologico Standard, secondo il quale l’Universo è costituito per una percentuale di materia oscura, di energia oscura e di materia barionica, cioè la materia ordinaria, di cui sono costituite le stelle e i pianeti. La teoria ci dice che dovrebbe esserci nel Cosmo una certa percentuale di materia barionica che però, di fatto, non osserviamo nella proporzione prevista. C’è quindi una discrepanza tra il modello, cioè la teoria, e l’osservazione. L’idea più accreditata è che questa materia sia racchiusa nel WHIM (Warm-Hot Intergalactic Medium), composto da filamenti di materiale in cui si concentrerebbe la materia barionica. Il problema è che risulta assai difficile osservare il WHIM, e i raggi gamma possono essere di grande aiuto. Con le loro esplosioni, i gamma-ray burst illuminano questi filamenti cosmici permettendo di esaminarli con la tecnica della spettroscopia.

Può spiegare l’importanza delle missioni spaziali come Swift anche ai non addetti ai lavori?

La fisica viene fatta nei laboratori, e tutti noi sappiamo che c’è bisogno di laboratori per fare esperimenti che dimostrino le teorie della fisica e ci permettano, quindi, di capire meglio le leggi che regolano il mondo in cui viviamo. Ecco, l’Universo è il laboratorio per eccellenza, il laboratorio fondamentale. Lì avvengono eventi a livelli di energia che non sono riproducibili sulla Terra. Osservando questi eventi possiamo testare tutti i nostri modelli, possiamo capire meglio la fisica intorno a noi. Capire come l’Universo riesce a produrre certe energie può aiutare anche nella vita quotidiana, nel senso che si potrebbe capire come poter utilizzare determinati processi nella vita quotidiana ma, soprattutto, nello sviluppo tecnologico.
In altre parole, studiare l’Universo è un modo davvero unico per testare i modelli della fisica, e la fisica è alla base di una serie di apparecchi e di invenzioni che possiamo toccare con mano tutti noi. Ogni evento che studiamo nell’Universo è un laboratorio di fisica. Inoltre ogni volta che andiamo alla ricerca di qualcosa nello spazio abbiamo bisogno di un grandissimo sviluppo tecnologico, e ogni sviluppo tecnologico ha un suo riscontro nelle tecnologie che usiamo nella vita quotidiana.

Via Fly Orbit News

Immagine: NASA

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