CTAO e INAF: a un passo dalla più grande finestra mai aperta sull’Universo

Per portare all’evidenza della psiche i fenomeni invisibili della fisica non vi è che una sola opportunità: quella di porli in analogia con fenomeni fisici che i nostri sensi possano percepire, o che la mente possa almeno prefigurare. Alcune volte si offrono esempi veramente fortunati, come quelli che illustrano a ogni studente liceale la corrispondenza dei fenomeni di interferenza tra onde liquide sonore ed elettromagnetiche.

Ma ci si può spingere anche oltre per spiegare fenomeni quantistici. Per esempio se la luce (costituita da quegli inquietanti “pacchetti di energia” che i fisici chiamano fotoni, e che, a seconda dei casi, si comportano da onde o da particelle a loro “piacimento”), provenendo dal vuoto cosmico, passa all’atmosfera terrestre, è costretta a rallentare, a causa di interazioni elettromagnetiche con gli atomi dei gas atmosferici (che impongono un indice di rifrazione di circa 1,00029). Così, la proverbiale “velocità assoluta” della luce di 300.000 chilometri al secondo nell’atmosfera terrestre si riduce dello 0,03%.

Pertanto i fotoni dell’iride potranno in tal caso venire superati in velocità da altri elementi quantistici più veloci. In questa “gara” sono campioni assoluti i neutrini, che, praticamente privi di massa, e totalmente privi di carica elettrica non subiscono rallentamenti nemmeno quando attraversano i reticoli cristallini delle rocce.

Ma vi sono anche fotoni dotati di energia molto più elevata rispetto a quelli dello spettro del visibile, come i raggi gamma, provvisti di diversi livelli di potenza a seconda del fenomeno astrofisico da cui sono generati, e, che, nell’atmosfera, a causa della loro forza, interagiscono drasticamente con i gas. Per tale fenomeno, fortunatamente, i raggi che non consentirebbero la vita sulla terra come gli X e i gamma non raggiungono il nostro pianeta.

E non è quindi un paradosso che radiazioni fornite di altissimi livelli di energia non raggiungano il suolo terrestre, mentre le onde luminose molto meno energetiche possano farlo (consentendo la vita della biosfera) in quanto, queste ultime subendo solo deboli interazioni con gli atomi dei gas atmosferici ne vengono solo rallentate…

Ma a consentire ai nuovissimi telescopi protagonisti di questo articolo di “vedere” più a fondo nell’universo, sono proprio le interazioni dei raggi gamma con i gas, le quali producono particelle che acquisiscono altissima energia cinetica, e si muovono a velocità superiori a quella della luce nell’atmosfera.

Infatti, se le onde luminose (quelle dello spettro dell’iride) vengono superate in velocità da una particella subatomica ad altissima energia, si genera una radiazione, detta di Čerenkov (dal nome de suo scopritore, Pavel Alekseevič Čerenkov, Nobel 1958).

Per descrivere l’effetto Čerenkov si può quindi dire che si tratti dell’equivalente ottico del “boom sonico”, che si avverte quando un aereo supersonico aumenta la sua velocità, comprimendo sempre più le onde sonore che emettono i suoi motori, finché, raggiunta la velocità del suono di 1 Mach, la supera, attraversando fisicamente il “muro” di onde sonore che si è formato al limite della compressione di queste.

Ma se si volesse rendere anche visibile tale effetto, si potrebbe ricorrere al fenomeno di interferenza costruttiva generato dalle “onde a V” che si formano in corrispondenza della prua dei natanti.

Ecco in dettaglio cosa accade invece quando dalla profondità del cosmo entrano in atmosfera raggi gamma di elevatissima energia: “utilizziamo l’atmosfera come un grande rivelatore – spiega il professor Gianpiero Tagliaferri, responsabile della partecipazione italiana al progetto SST e coordinatore del team internazionale di SST – vi sono fotoni (raggi gamma) anche di un milione di miliardi di volte più energetici dei fotoni visibili; quando un raggio gamma passa vicino al campo magnetico di un nucleo dell’atmosfera si converte in una coppia di particelle cariche: elettroni e positroni, le quali, a loro volta, ne producono a cascata altre, sempre più veloci dei fotoni visibili nel mezzo atmosferico; ed è così, che al superamento del “muro di compressione ottica” delle onde visibili, tali particelle provocano l’effetto Čerenkov, che si manifesta con sciami di lampi di luce blu della durata di un miliardesimo di secondo. Per rivelarli sono quindi necessarie fotocamere sensibilissime e “rapidissime”, in grado di rilevare nuovi eventi con una risoluzione temporale del nano-secondo”.

La rilevazione di raggi gamma avviene quindi per via indiretta, osservando che tipo di fenomeni si producono nell’atmosfera: grazie alla diversa forma, durata, e intensità dei lampi Čerenkov, si può risalire alla natura dei fenomeni cosmici da inquisire.

“Anche i muoni (una famiglia di elettroni pesanti) generano l’effetto Čerenkov, ma sono dati che non ci interessano, così dobbiamo prima di tutto “fare pulizia”, ovvero scartare le tracce di lampi circolari prodotte dai muoni, e focalizzarci su quelle elissoidali dei raggi gamma; le nostre analisi proseguono poi in direzione teorica, perché più o meno sappiamo cosa aspettarci, ma anche pratica, attuando delle opportune simulazioni che possano rivelarci maggiori dettagli, aiutandoci a comprendere da quali fenomeni quantistici degli oggetti celesti da cui provengono siano stati generati i raggi gamma. Ci aspettiamo di poter svelare così aspetti ancora ignoti della natura di quegli stessi oggetti celesti, buchi neri inclusi” chiarisce Tagliaferri.

Per questo si è dovuto pensare a telescopi rilevatori di raggi gamma da mettere a sistema per poter osservare la porzione di cielo maggiormente grande possibile, sia nell’emisfero sud sia in quello nord.

Strutture leggere e super agili, in grado di orientarsi in pochissimi secondi verso quella frazione di cielo dove uno degli elementi installati ha iniziato a captare il primo lampo che annuncia l’arrivo di uno sciame di altri lampi analoghi.

Telescopi per raggi gamma già esistevano, ma molto meno performanti: i nuovissimi SST (Small-Sized Telescope) sono infatti dotati di un sistema a due specchi (il secondo specchio raccogliendo i dati dal primo specchio che è molto più grande, li converge verso una telecamera molto più piccola e leggera rispetto a quella dei telescopi per raggi gamma di prima generazione: 100 Kg rispetto a 2 tonnellate).

Il CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory, che sarà l’osservatorio più grande e potente al mondo per esplorare l’Universo nei raggi gamma), potendo rilevare eventi di formazione stellare, nuclei galattici attivi e i lampi di raggi gamma, consentirà di comprendere l’impatto delle particelle ad alta energia nell’evoluzione dei sistemi cosmici, di acquisire nuove conoscenze sulle sorgenti più estreme dell’Universo, nonché esplorare le frontiere della fisica, come la materia oscura.

Essendo fino a 10 volte più sensibile di qualsiasi strumento esistente, l’Osservatorio CTAO spingerà la visione dell’Universo ai confini dello spettro elettromagnetico noto, rileverà più di 1.000 nuove sorgenti gamma, ma sarà anche il primo Osservatorio del suo genere a fornire alla comunità scientifica internazionale accesso aperto ai dati scientifici e al software di analisi dei dati.

I Siti degli Array sono: Paranal, per il CTAO Sud, il quale è situato nel deserto di Atacama nel Cile settentrionale, ospitato dall’ESO (Osservatorio Europeo Australe) presso l’Osservatorio del Paranal, prima struttura per l’osservazione dei raggi gamma nel Paese, che aprirà una nuova finestra sotto uno dei migliori cieli per l’astronomia, e La Palma (Spagna) per il CTAO Nord.

La configurazione dell’array Sud include 37 Small-Sized Telescopes (SST, alti 9 metri) e 14 Medium- Sized Telescopes (MST, alti 27 metri); inoltre un piano di potenziamento di questa configurazione include anche due Large- Sized Telescopes (LST alti 45 metri).

I tre tipi di telescopi si rendono necessari se si vuole osservare una banda energetica molto larga da 20 GeV (Giga elettron Volt) fino a 300 TeV (Tera elettron Volt).

Gli specchi a segmenti resistenti degli SST sono basati su tecnologia Inaf (la paternità è del professor Oberto Citterio), e possono resistere a violente intemperie e terremoti, pur rispondendo alla necessità di essere particolarmente economici (con costi di produzione da duemila a quattromila euro/mq, rispetto ai milioni di euro generalmente necessari alla realizzazione di specchi per telescopi tradizionali), poiché ne vanno prodotti centinaia di metri quadri. E’ stato infatti possibile contenere i costi di tali specchi, grazie al fatto che, dovendo essere aperti su una larga porzione di spazio, per osservare oggetti intrinsecamente estesi, essi sono dotati di una risoluzione, non del secondo d’arco (necessario per i più comuni telescopi ottici), ma del minuto d’arco, non essendo necessario raggiungere gli elevatissimi livelli di qualità dell’ottica, notoriamente fondamentali per gli specchi montati sui telescopi tradizionali, le cui prestazioni dipendono direttamente dalla nitidezza delle immagini degli oggetti celesti che riescono a magnificare”.

Ma c’è di più: i nuovi telescopi possono essere utilizzati anche per eseguire tomografie delle camere magmatiche dei vulcani, al fine di prevedere le eruzioni, sfruttando l’effetto Čerenkov prodotto dai muoni provenienti dal cosmo che attraversano i vulcani (Progetto Astri sull’Etna dell’Inaf).

Gli SST vengono prodotti in Italia, a S. Stino di Livenza (VE), dalla ditta Dal Ben, che, superando ogni più rosea previsione, si è aggiudicata l’intera commessa, e, anche grazie a un finanziamento del PNRR, ne ha prodotti ben 26 nel giro di due anni, riuscendo a raddoppiare il ritmo di produzione.

Gli SST sono stati presentati ufficialmente durante una conferenza stampa tenutasi presso la Dal Ben, alla presenza del presidente dell’Inaf Roberto Ragazzoni, del direttore dell’organizzazione centrale del CTAO Stuart McMuldroch, e del coordinatore dei telescopi del CTAO Stefano Stanghellini.