Gli osservatori a matrice: l'Osservatorio Auger
Gli Osservatori a Matrice
Gli osservatori a matrice sono osservatori terrestri finalizzati allo studio degli sciami indotti nell'atmosfera da raggi cosmici primari altamente energetici.
L'obiettivo è quello di riuscire a comprendere da quale direzione, e quindi quali sono le sorgenti astronomiche, che emettono i raggi cosmici più energetici.
Sappiamo infatti che i raggi cosmici primari sono per lo più particelle cariche e come tali esse vengono deviate dai campi magnetici galattici. Di conseguenza la direzione con cui essi incidono sulla nostra atmosfera non ci fornisce alcuna indicazione relativa al punto in cui essi hanno avuto origine. Questo è vero a meno che i raggi cosmici primari non raggiungano energie dell'ordine di decine di miliardi di GeV: in questo caso i campi magnetici galattici non riescono a deviare in modo sensibile le cariche ed è quindi possibie in questo caso risalire alla direzione di provenienza ed ottenere così preziose informazioni sulla sorgente che li ha emessi.
Il problema è che si ha meno di una particella per chilometro quadrato ogni anno che raggiunge la nostra atmosfera a queste energie: per rivelare i primari ci vorrebbero quindi dei rivelatori grandissimi. Ecco allora che ci viene in aiuto la fisica degli sciami: poiché uno sciame è composto da molte particelle non occorre coprire tutta la superficie che si vuole usare per la rivelazione ma basta campionarla.
Ecco allora che nel 1992 il fisico americano James Cronin propone la costruzione di un osservatorio così grande da raccogliere una statistica consistente sui raggi cosmici ad altissime energie. Nasce così l'idea dell'osservatorio Pierre Auger nella pampa argentina, una rete di rivelatori distribuiti su 3.000 chilometri quadrati.
2.1 L'Osservatorio Auger : il sistema di rivelazione
L'osservatorio Pierre Auger ,così denominato in onore del fisico francese che per primo osservò gli sciami estesi prodotti da raggi cosmici estremamente energetici nel 1938, è stato costruito con il fine di studiare i RC con energie al di sopra di 1018eV e dare una risposta a molti degli interrogativi oggi ancora aperti
L'osservatorio si trova nella provincia di Mendoza, nell'Argentina dell'ovest, vicino alla città di Malargüe dove è situato il centro di controllo e si estende per 3000 km quadrati, quasi cioè come l'intera Val d'Aosta.
L'osservatorio ha iniziato a prendere dati stabilmente nel 2004 ed è stato definitivamente completato nel 2008. Dal 2003 è il più grande rivelatore di raggi cosmici di energia estrema nel mondo.
Il sistema di rivelazione di Auger è di tipo "ibrido” perché comprende rivelatori di diversa natura. È costituito, infatti, dalla combinazione di rivelatori "di superficie” e di telescopi a fluorescenza
I rivelatori di superficie, come quello mostrato nella foto qui a fianco, sono costituiti da 1.600 taniche d'acqua, ciascuna contenente 12 tonnellate di acqua ultra-pura, posizionate a 1,5 chilometri l'una dall'altra ed osservano il fronte dello sciame di raggi cosmici quando colpisce la superficie terrestre, rivelando e contando le particelle prodotte al livello del suolo.
I rivelatori di superficie devono il loro funzionamento al fenomeno fisico noto come Effetto Cherenkov. Esso ha luogo quando una particella carica attraversa un mezzo materiale - l'acqua, nel caso di Auger - a velocità superiore alla velocità della luce in quel mezzo. La particella carica in queste condizioni emette luce ultravioletta. La luce Cherenkov è dunque una sorta di "onda d'urto”. Ciascun rivelatore è dotato di tre fotomoltiplicatori molto sensibili che hanno il compito di convertire la luce raccolta insegnale elettrico.
L'alimentazione elettrica è fornita da pannelli solari mentre l'analisi dei segnali è fatta in loco ed i dati sono trasmessi via radio al sistema di acquisizione dell'osservatorio.
La sincronizzazione delle diverse taniche viene fatta mediante sistema GPS.
I 27 telescopi distribuiti intorno ai rivelatori di superficie, invece, raccolgono i lampi di luce di fluorescenza prodotti nell'aria dalle particelle cariche dello sciame, osservandone così lo sviluppo longitudinale, lungo la direzione di provenienza.
Nel caso dei telescopi,dunque, il mezzo usato per la rivelazione è l'atmosfera stessa, i cui atomi emettono luce ultravioletta al passaggio dello sciame, per un effetto di fluorescenza. Nell'attraversare l'atmosfera, infatti, le particelle cariche dello sciame eccitano le molecole di azoto che, tornando allo "stato fondamentale”, emettono luce ultravioletta.
Per un telescopio a fluorescenza un raggio cosmico appare come una lampadina a che emette UV viaggiando nell'atmosfera a velocità della luce e con luminosità crescente fino a raggiungere circa 4 W quando la cascata raggiunge il suo massimo. Per avere un'idea di come si sviluppa uno sciame si può vedere la simulazione di una cascata di raggi secondari che si trova su sito stesso dell'Osservatorio Auger. Qui sotto un'immagine riassume lo schema di uno dei telescopi: Una griglia si specchi (1) raccoglie e focalizza la luce emessa nell'atmosfera indirizzandoli verso una fotocamera (2). Diaframma (3), filtro (4) ed Otturatore (5) completano il telescopio. Grazie alla sensibilità della strumentazione i telescopi riescono a rivelare lo sviluppo degli sciami fino a 15 km di distanza.
I rivelatori a fluorescenza sono in grado di misurare l'energia totale della cascata, che è approssimativamente uguale all'energia del raggio primario. L'energia totale del raggio è invece più difficile da rivelare con i rivelatori di superficie, che campionano solo una piccola frazione dell'energia dello sciame.
Grazie comunque all'integrazione dei dati raccolti da entrambi questi metodi di rivelazione i ricercatori possono ottenere le informazioni necessarie a ricostruire l'energia e la direzione con la quale i raggi cosmici sono pervenuti fino alla Terra, con una precisione molto superiore rispetto a precedenti esperimenti. Questo consente di formulare ipotesi sulla natura delle sorgenti di raggi cosmici di alta energia e sui meccanismi con cui essi sono accelerati alle enormi energie con cui raggiungono l'atmosfera terrestre.
2.2 L'osservatorio Auger: Principali risultati
I primi risultati sono stati pubblicati nel 2007 e hanno permesso di ottenere preziose informazioni sulle proprietà delle particelle di altissima energia.
1. Spettro dei raggi cosmici
L'osservatorio ha pubblicato e aggiorna regolarmente con i nuovi dati i risultati sullo spettro dei raggi cosmici alle energie estreme.
I dati hanno permesso di studiare con precisione le zone di cambiamento di pendenza nello spettro dei raggi cosmici e in particolare la variazione netta di andamento alla "caviglia", in corrispondenza dell'energia di 4x1018 eV . Questa struttura è probabilmente collegata al passaggio, a energie elevate, da particelle di origine galattica a particelle di origine extragalattica
I ricercatori impegnati in Auger hanno potuto inoltre confermare l'evidenza di un calo nel flusso dei raggi cosmici alle più alte energie. Questa diminuzione sembrerebbe consistente con l'idea che attraversando lo spazio extragalattico, i raggi cosmici interagiscano con i fotoni del fondo cosmico a microonde (Cmb,Cosmic Microwave Background) - la radiazione residua del Big Bang - perdendo parte della loro energia. L'interazione dei raggi cosmici con il fondo a microonde fu prevista teoricamente dallo scienziato americano Kenneth Greisen e dai sovietici Georgiy Zatsepin e Vadim Kuz'min nel 1966, e si manifesta con un calo netto di flusso nella distribuzione energetica (taglio Gzk) per energie superiori a circa 4x1019 eV.
Se dotati di energia sufficientemente elevata,infatti, i protoni possono interagire con i fotoni della radiazione cosmica di fondo, producendo pioni e perdendo quindi parte della loro energia iniziale. L'effetto Gzk pone così un limite all'energia massima dei raggi cosmici provenienti da altre galassie e osservabili sulla Terra.
2. Indicazioni sulla natura delle sorgenti
Se l'osservazione del taglio Gzk costituisce già di per sé un'indicazione del fatto che i raggi cosmici rivelati al limite dello spettro di energia sono di origine extragalattica, gli scienziati della collaborazione Auger stanno ora cercando di identificare le sorgenti: le galassie, cioè, in cui queste particelle sono generate. Lo studio è eseguito confrontando le direzioni dei raggi cosmici misurate a terra con la posizione nella sfera celeste delle galassie riportate nei cataloghi oggi disponibili, in particolare con i cataloghi di galassie con nuclei attivi (Agn, Active Galactic Nuclei). Al loro centro, queste galassie mostrano una regione compatta caratterizzata da un'elevata emissione di radiazione, estesa su tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai più energetici raggi gamma. Si ritiene che il fenomeno sia dovuto al processo di accrescimento di un buco nero al centro della galassia, che inglobando materia produrrebbe intensi getti di radiazione elettromagnetica. intensi getti di radiazione elettromagnetica. A causa del taglio Gzk, i raggi cosmici che raggiungono la Terra a energie molto elevate non possono avere percorso distanze eccessive.
Per questo, le possibili sorgenti di raggi cosmici di altissima energia possono essere individuate solo tra le galassie Agn più vicine, con distanze dell'ordine di circa 300 milioni di anni luce. Entro queste distanze la distribuzione spaziale della materia extragalattica, in particolare delle galassie Agn, è molto disomogenea.
La collaborazione Auger ha confrontato le direzioni osservate dei raggi cosmici di alta energia con la distribuzione delle galassie Agn emettitrici di raggi X, classificate in base ai dati del satellite Swift della Nasa - una collaborazione, alla quale partecipano anche Italia e Regno Unito, che studia l'origine dei gamma ray burst e l'Universo lontano.
Il catalogo Swift-Bat (Burst Alert Telescope di Swift) mostra una correlazione con gli eventi di alta energia di Auger, che sono difatti localizzati preferenzialmente nella regione della sfera celeste dove è presente una maggiore densità di galassie. A causa dello scarso numero di eventi osservati fino a oggi, questa osservazione non può essere conclusiva, ma dà una forte indicazione sulla provenienza dei raggi cosmici di alta energia da particolari tipi di galassie.
2.3 Altri sviluppi per lo studio dei RC ad altissima energia
L'astronomia dei raggi cosmici carichi è comunque difficile, perché anche con strumenti grandissimi come Auger il numero di eventi raccolti è piccolo, qualche decina all'anno.
Una tecnica che recentemente ha cominciato a dare i suoi frutti "sposta" il problema: poiché l'interazione di raggi cosmici con l'atmosfera comporta l'emissione di onde radio, la rivelazione di transienti radio con antenne può essere associata, in condizioni di basso rumore come quelle che si possono avere in Antartide e in particolare nell'alta atmosfera, a raggi cosmici di altissima energia.
L'esperimento ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) al polo sud ha recentemente pubblicato uno spettro di energia dei raggi cosmici con questa tecnica.
Un'altra tecnica , che si pensa di realizzare nella decade 2020, sfrutta l'osservazione del cielo da un'orbita "alta" qualche centinaio di chilometri attorno alla terra alla ricerca dei "flash" causati dalla luce di fluorescenza che viene dall'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera. Un piccolo strumento potrebbe essere agganciato alla Stazione Spaziale o anche volare su proprio satellite e mappare così una grandissima superficie efficace.
Il progetto giapponese JEM-EUSO ( Exterme Universe Space Observatory on the Japanese Experiment Module) si sviluppa lungo questa linea.
Bibliografia:
- Asimmetrie - anno 5 n.10
- De Angelis "L'enigma dei raggi cosmici" - I blu
- Sito ufficiale dell'osservatorio: www.auger.org