Nebulosa del Granchio, l’immagine ad altissime energie

Osservare il cielo ad energie del TeV, pari a mille miliardi di elettronvolt grazie ai telescopi Cherenkov. Il primo risultato si ottenne nel 1989 con l’osservazione della nebulosa del Granchio grazie all’osservatorio Whipple. Da allora gli astronomi hanno iniziato a dare la caccia nel cielo alle sorgenti di altissime energie, quelle superiori ai 100 miliardi di elettronvolt (GeV), segnando la nascita dell’astronomia al Tev.

Oggi, grazie al progetto ASTRI guidato dall’Istituto nazionale di astrofisica italiano (INAF), si apre una nuova era di osservazioni con un prototipo di telescopio Cherenkov di piccole dimensioni (SSTs). Può osservare sorgenti dell’ordine di grandezza di qualche TeV e che per la sua messa in prova ha regalato agli astronomi una nuova immagine della nebulosa del Granchio in alte energie, 40 anni dopo la prima.

Luce Cherenkov e IACT: come osservare le sorgenti ad alte energie

Osservare le sorgenti di raggi gamma con telescopi a terra non è possibile. Quando questi raggi entrano nell’atmosfera interagiscono con le particelle, dando il via a una cascata di particelle subatomiche altamente energetiche che viaggiano a velocità pari a quella della luce. Questa condizione libera nell’atmosfera un debole e velocissimo lampo di luce bluastra, detta luce Cherenkov.

Se osservare i raggi gamma direttamente non è possibile, i telescopi a terra basati sull’effetto Cherenkov sono in grado di rivelare quella luce emessa dalla loro interazione con l’atmosfera terrestre. Per osservare queste sorgenti così energetiche, gli astronomi hanno sviluppato i telescopi Cherenkov e una tecnica, la Atmospheric Cherenkov Technique, per ricostruire ed elaborare i dati.

A partire dal 1989, con l’osservazione della nebulosa del Granchio grazie all’osservatorio Whipple, è stato possibile creare immagini di oggetti dall’energia del TeV, circa un miliardo di volte maggiore dell’energia delle radiazioni visibili. Un evento che ha segnato la nascita dell’astronomia al TeV, con 200 sorgenti di raggi gamma ad oggi individuate grazie ai telescopi Cherenkov come H.E.S.S., MAGIC e VERITAS. Il prossimo passo per questa scienza è quella di costruire uno “schieramento” di telescopi nel mondo e ampliare il loro potere di osservazione con al realizzazione del progetto CTA (Cherenkov Telescope Array).

ASTRI-Horn: il nuovo prototipo di SSTs

I primi telescopi Cherenkov sono stati costruiti seguendo un tipico design ottico: la luce in entrata è riflessa dallo specchio del telescopio per essere catturata da una fotocamera e poi convertita in un segnale elettrico, che viene digitalizzato e trasmesso per registrare l’immagine della luce.

Nel caso del progetto ASTRI (Astrofisica con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana) i ricercatori italiani hanno progettato un telescopio Cherenkov end-to-end di cui hanno curato anche lo sviluppo e la progettazione, che è stato proposto per entrare a far parte della rete di Small-Size Telescope (SSTs) del CTA.

Il telescopio ASTRI-Horn prende il nome dall’astronomo di origini triestine Guido Horn D’Arturo, il primo nel secolo scorso a proporre la tecnologia degli specchi a mosaico, ed è basato su una configurazione ottica a doppio specchio Schwarzschild-Couder, che è stato equipaggiato con una fotocamera appositamente progettata con un fotomoltiplicatore al silicio (SiPM) gestito da una elettronica di lettura molto veloce.

Il prototipo del telescopio è stato montato sul monte Etna, in Italia, nella stazione di osservazione M.C. Fracastoro dell’INAF, ed è stato concepito come un progetto end-to-end inclusa la piena catena di archiviazione e processazione dei dati, dai dati grezzi fino al prodotto scientifico finale.

Il progetto ASTRI è guidato dall’Istituto nazionale italiano di Astrofisica (INAF) con la collaborazione delle università italiane, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INAF) e con la partecipazione diretta della Universidade de São Paulo e di FAPEST in Brasile, e della North-West University in Sud Africa.

ASTRI-Horn: la “nuova” nebulosa del Granchio

Il prototipo del telescopio ASTRI-Horn è stato messo in funzione e tra dicembre 2018 e gennaio 2019 ha effettuato un totale di 29 ore di osservazione, divise in esposizione on e off axis, della nebulosa del Granchio. Il risultato è stato una immagine con una significanza statistica di circa 5,4 e con una energia pari a 3,5 TeV.

Un risultato che è considerato importante soprattutto perché durante la verifica il sistema della fotocamera era ancora sotto assestamento e le sue funzionalità non sono state completamente sfruttate. Inoltre, in quel periodo l’eruzione del vulcano Etna aveva parzialmente ridotto l’efficienza di riflessione dello specchio. Giovanni Pareschi, astronomo dell’INAF di Milano e principale investigator del progetto ASTRI, ha commentato: “Il risultato ottenuto rappresenta una pietra miliare per le tecnologie IACT. È stato dimostrato che la configurazione a doppio specchio sta funzionando bene e che ora è possibile raggiungere un grande campo visivo con un telescopio Cherenkov dal design più compatto”.

Telescopi CTA: come osservare un cielo altamente energetico

Le sorgenti ad alte energie vanno dai 20 GeV ai 300 TeV e per coprire un intervallo così ampio di energie sono necessarie tre classi di telescopi Cherenkov che facciano parte del CTA. I telescopi medium-Size, cioè telescopi di media taglia con specchi del diametro di circa 12 metri, che sono in grado di coprire l’osservazione del “cuore” delle energie, cioè l’intervallo tra i 100 GeV e i 10 TeV. Quelli large-Size, cioè di grande taglia, hanno specchi di dimensioni intorno ai 23 metri e coprono energie inferiori ai 100 GeV. I telescopi small-Size (SSts) come ASTRI-Horn hanno specchi dal diametro di circa quattro metri e sono progettati per l’osservazione di energie superiori a qualche TeV.

Federico Ferrini, direttore del CTA Observatory (CTAO) ha spiegato: “CTA ha esplorato la tecnologia del doppio specchio fin dall’inizio del progetto e alcuni prototipi sono stati realizzati utilizzando questo approccio come l’ASTRI-Horn e il GCT per i “SST” e il SCT per i telescopi di media taglia. Il risultato ottenuto con ASTRI-Horn è incoraggiante e conferma il potenziale di avanzamento tecnologico per l’astronomia Cherekov”.

CTA array: i prossimi passi per ASTRI-Horn

Il Cherenkov Telescope Array (CTA) è una iniziativa globale per costruire il più grande e sensibile osservatorio di raggi gamma ad alta energia con 118 telescopi sparsi tra due siti: uno nell’emisfero boreale nelle vicinanze dell’isola di La Palma, in Spagna, e un altro nell’emisfero australe vicino Paranal, in Chile. Al progetto lavorano oltre 1400 scienziati e ingegneri di 200 istituti di ricerca provenienti da 31 paesi dei 5 continenti.

Il CTA sarà il principale osservatorio globale per l’astronomia a raggi gamma ad altissima energia nel prossimo decennio di cui ASTRi-Horn farà parte come SSts nella rete dell’emisfero settentrionale. Inoltre sarà il primo osservatorio astronomico a raggi gamma a terra aperto alle comunità di fisica astronomica e delle particelle di tutto il mondo.

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