Esperimenti gamma a terra. MAGIC

 L'astronomia dei raggi gamma. 

Come abbiamo visto precedentemente le tecniche basate sulla rivelazione di raggi cosmici carichi, come per esempio nell'osservatorio Auger, richiedono energie elevatissime e rivelano eventi molto rari. Per questo si sono sviluppate  linee di ricerca anche diverse: quella che negli ultimi anni ha dato i frutti più spettacolari è l'astronomia a raggi gamma, che tuttavia dobbiamo ricordare costituiscono circa un millesimo del flusso totale di raggi cosmici.

I raggi gamma,non venendo deviati da campi magnetici in quanto neutri, permettono direttamente di identificare le sorgenti. Per questo, l'astronomia dei raggi gamma è oggi una delle attività più innovative e ferventi: essa costituisce un importante contributo ai rilevamenti radio, ottici e infrarossi per cercare di individuare e comprendere i fenomeni cosmici ad alta energia.Molti oggetti nel cosmo emettono infatti onde elettromagnetiche a tutte le frequenze e quindi una collaborazione tra altri strumenti di ricerca che operano a frequenze diverse ( ottico, infrarosso, radio ecc) è fondamentale.

Gli eventi gamma più energetici avvengono in brevi periodi di tempo, nell'ordine di qualche nano-secondo, per poi esaurirsi nel giro di decine di secondi ,a qualche minuto o ore. In questo breve periodo tutti gli strumenti devono essere coordinati e puntare l'oggetto appena scoperto. Solitamente il primo rilevamento viene catturato da un satellite che vede il raggio gamma prima che entri in atmosfera: in questo modo gli strumenti di terra hanno il tempo di riprendere anche gli eventi più fulminei.

La tecnologia necessaria per la rivelazione dei raggi gamma è stata sviluppata solo negli ultimi anni, seguendo due distinte metodologie di osservazione: o utilizzando un metodo diretto, che rileva direttamente i fotoni utilizzando appositi strumenti montati su satelliti oppure utilizzando una tecnica indiretta che rivela a terra gli sciami di particelle che i fotoni generano con l'interazione con l'atmosfera. Questa seconda tecnica, tuttavia, costringe ad osservare soltanto raggi gamma ad altissima energia, essendo i raggi gamma di bassa energia assorbiti nelle fasce superiori dell'atmosfera.

Gli sciami di particelle originati da gamma si possono distinguere con sofisticate tecniche di riconoscimento dagli sciami originati da protoni, che sono circa un migliaio di volte più numerosi. 

Le principali sorgenti conosciute che emettono raggi gamma sono nuclei di galassie attive (AGN) , resti di supernova e GRB ( gamma ray burst). 

Il numero di particelle cariche prodotte da un tipico sciame elettromagnetico generato da fotoni gamma di altissima energia ha un massimo a 5-10 chilometri di quota ed è trascurabile a livello del mare. Pertanto se vogliamo rivelare i gamma con rivelatori di particelle sensibili agli elettroni e positroni dello sciame ( tecnica cosidetta degli Extensive Air Shower detectors) bisogna collocare gli strumenti ad altissima quota, con notevoli problemi logistici. La tecnica che si è rivelata vincente per l'astrofisica gamma da terra è quella invece dei grandi rivelatori Čerenkov.

La tecnica Cerenkov

La tecnica Čerenkov si basa sulla rivelazione della radiazione caratteristica emessa dalle particelle cariche che attraversano l'atmosfera a velocità superiore a quella della luce. Negli sciami, sia elettromagnetici che adronici, le particelle cariche possono viaggiare a velocità superiori a quella della luce in atmosfera che ricordiamo essere v= c/n dove n è l'indice di rifrazione ed è maggiore dell'unità.

Quando vengono assorbiti nell'alta dunque atmosfera, i raggi gamma provenienti dallo spazio danno origine a sciami di particelle secondarie in grado di produrre questo segnale, che è l'analogo ottico del bang supersonico per le onde sonore. Il lampo Čerenkov, luce con lunghezza d'onda tra il blu e l'UV,  viaggia verso terra nella direzione dello sciame ed è emesso in un cono di apertura caratteristica con un angolo che si allarga man mano l'atmosfera diventa più spessa. La luce Cherenkov è irradiata dunque attorno alla direzione della particella primaria incidente ed illumina a terra una superficie pari a circa 250 mdi diametro, spesso definito come la piscina di luce Cherenkov (Cherenkov light pool). Questo ha due conseguenze immediate: poichè la luce viene emessa su di una superficie così estesa un telescopio posto in un punto qualunque della piscina è in grado di rivelare il primario che ha originato lo sciame. Per lo stesso motivo tuttavia il segnale intercettato dal rivelatore è molto debole e vanno pertanto sviluppati strumenti con elevatissima sensibilità (vedi poi : specchi più estesi possibile e fotomoltiplicatori ad altissimo guadagno) 

Il lampo Čerenkov viaggia verso terra nella direzione dello sciame e, benché di debole intensità, può essere rivelato da opportuni telescopi, detti IACT (Imaging Air Čerenkov Telescopes). Tra gli esperimenti attualmente in funzione che sfruttano tale tecnica spiccano le collaborazioni MAGIC che approfondiremo qui di seguito , H.E.S.S (in Namibia, operativo dal 2003), CANGAROO (in Austalia, operatovo dal 2001) e VERITAS (in Arizona, operativo dal 2006), i cosiddetti "Big Four”

 MAGIC

Il rivelatore MAGIC-I (Major Atmospheric Gamma Imaging Čerenkov telescope), frutto di una collaborazione internazionale con partner principali in Italia, Germania e Spagna, si trova sull'isola di La Palma (Canarie) a 2.200 metri di quota ed è attivo dal 2004. Con i suoi 17 metri di diametro e 236m² di superficie era a quel tempo il telescopio Čerenkov dotato del più grande specchio al mondo (superato solo nel 2012 da Hess-II con un diametro di 28m, lunghezza focale di 36m e area degli specchi di 614m²) . Tale superficie riflettente è costituita da 974 specchi quadrati a curvatura variabile per ottenere un profilo parabolico (la tecnologia è stata sviluppata appositamente in Italia) e serve per raccogliere la luce Čerenkov prodotta dallo sciame e focalizzarla su una matrice di 1039 fotomoltiplicatori  posta nel piano focale dello specchio. Il segnale così ottenuto, della durata di qualche nanosecondo appena, viene registrato ed analizzato, permettendo di ricostruire una "fotografia” che identifica il raggio gamma (o di altro tipo) all'origine dello sciame. Quattro specchi ( tre in alcuni elementi ai bordi dello specchio) sono montati su di un pannello il quale è fissato alla struttura portante attraverso tre punti: uno di questi è fisso mentre gli altri due sono azionati da attuatori che permettono il rapido posizionamento e la messa a fuoco dell'immagine in qualunque puntamento del telescopio.

Un secondo telescopio MAGIC-II è stato installato nello stesso sito, a 85 metri dal primo ed è operativo dal 2010.

I due telescopi sono sostanzialmente identici e la possibilità di effettuare osservazioni contemporaneamente ha migliorato la sensibilità dello strumento di un fattore 3.

MAGIC ha anche un'altra notevole proprietà, legata alla leggerezza della struttura in fibra di carbonio e al sistema di controllo attivo degli specchi: è la sua velocità di posizionamento, che permette di puntare il telescopio verso un punto preciso del cielo in poche decine di secondi, osservando così anche fenomeni altamente variabili nel tempo e di breve durata. Per sfruttare al meglio tale caratteristica, MAGIC è in costante contatto con la rete di satelliti GCN, che comunica a terra in tempo reale l'arrivo di un GRB. Ciò ha permesso nel 2005, per la prima volta al mondo, di osservare un GRB per circa 30 secondi simultaneamente al satellite con sufficiente sensibilità ad alta energia. 

Il cambiamento della direzione del puntamento è reso possibile da un sistema di rotazione di tutta la struttura attorno a due assi tra loro perpendicolari in grado di muovere 64 tonnellate.

Per ulteriori dettagli tecnici si può consultare il sito dell'osservatorio MAGIC. 

  RISULTATI

MAGIC e gli altri tre sistemi multi-telescopio ad effetto Čerenkov operativi sono strutturalmente e funzionalmente simili e stanno disegnando, in sinergia col satellite Fermi, la mappa degli emettitori cosmici dei raggi gamma ( e quindi, indirettamente dei raggi cosmici) nella regione dei Tev. Grazie a questi telescopi negli ultimi 5-10 anni il numero di sorgenti di altissima energia conosciute è più che decuplicato con una frequenza di scoperte di una o due sorgenti al mese. Dai dati raccolti si è potuto confermare che i resti di supernova della galassia sono emettitori di raggi cosmici fino ad alcune centinaia di Tev. Esternamente alla Via Lattea si osservano prevalentemente nuclei galattici attivi , ossia buchi neri supermassicci al centro di galassie, che si stanno accrescendo a spese del materiale circostante.Così gas, polveri e stelle vengono catturate e la spirale in questo buco nero centrale crea un disco di accrescimento caldo che genera un'enorme quantità di energia che viene emessa sotto forma di getto perpendicolarmente al piano del disco di accrescimento sotto forma di fotoni, elettroni e positroni e altre particelle elementari. 

Le collaborazioni MAGIC, HESS e VERITAS si sono da poco consorziate per costruire lo strumento del futuro : due gigantesche matrici di telescopi , chiamate Čerenkov Telescope Array (CTA) la cui sensibilità dovrebbe superare di oltre un ordine di grandezza quella dei telescopi attuali. Per questa nuova impresa la tecnologia scelta sembra essere simile a a quella utilizzata oggi, replicata su decine di strumenti, con due siti, uno nell'emisfero australe ed un nell'emisfero boreale, a coprire superfici di diversi chilometri quadrati . 

L'industria italiana è responsabile dell'ottica di questi strumenti.

  Extensive Air Shower detecotrs

Alcuni esperimenti utilizzano una diversa tecnica per studiare gli sciami elettromagnetici: anzichè rivelare la luce Cherenkov si cerca di rivelare le particelle (elettroni e positroni) prodotti dallo sciame: è la tecnica degli Extensive Air Shower detectors, utilizzata per esempio dall'esperimento italo-cinese ARGO, nell'altipiano del Tibet a 4.300 m sopra il livello del mare.

Abbiamo trovato in rete una tesi di laurea del 2006 che ne descrive in dettaglio le caratteristiche e che alleghiamo qui.