Integral: Fame di raggi gamma

Il telescopio spaziale Integral
22 Novembre 2001

Dopo l'arrivo a ESTEC della sonda Rosetta, al centro olandese dell'ESA è arrivato anche Ibis, uno strumento che farà parte del telescopio spaziale Integral. E se Rosetta era stato integrato dall'Alenia Spazio di Torino, Ibis arriva direttamente dagli stabilimenti milanesi della Laben, a testimonianza del buono stato di salute dell'industria spaziale nel nostro paese. Ma quali sono i compiti di Ibis?

Se Rosetta era una missione destinata a studiare le zone più vicine del nostro universo, cioè il sistema solare, Integral cercherà di gettare lo sguardo ai fenomeni più energetici dell'universo. È infatti un telescopio costruito per raccogliere i raggi gamma, che sono emessi in meccanismi fisici che coinvolgono altissime energie. Per questo motivo spesso sui giornali ci si riferisce all'universo visto nei raggi gamma come a un universo "violento".

I raggi gamma sono la forma più energetica di luce, ancora più energetici dei raggi X. Per fare un esempio, quando ci facciamo una radiografia, si viene bombardati con dei raggi X, che sono in grado di penetrare le parti molli del nostro corpo, ma non le ossa. Sulla lastra compare l'ombra del nostro scheletro. Se venissimo bombardati di raggi gamma, anche il nostro scheletro sarebbe facilmente penetrato dalla luce, e sulla lastra non comparirebbe niente. Non solo: le nostre cellule riceverebbero un danno permanente.

Integral avrà quattro strumenti, di cui Ibis è quello chiamato a realizzare delle vere e proprie immagini del cielo, che ci riveleranno uno spettacolo completamente diverso da quello a cui siamo abituati alzando gli occhi al cielo.

Ibis è costituito da due rivelatori uno sopra l'altro: uno strato superiore e uno strato inferiore, sviluppato presso l'Istituto di Tecnologie e Studio delle Radiazioni Extraterrestri di Bologna. I due rivelatori sono in grado di catturare fotoni, cioè luce, di energia leggermente diversa, anche se c'è un piccolo intervallo di sovrapposizione.

Integral testing at ESTEC
Integral ad ESTEC

Integral sarà lanciato in orbita intorno alla Terra nell'ottobre 2002. Che differenza c’è fra il Telescopio Spaziale Hubble e Integral?

Il Telescopio Spaziale Hubble osserva il cielo come potrebbe fare un grande occhio umano posto oltre l'atmosfera: semplicemente raccoglie la luce visibile e la mette a fuoco sui rivelatori, così come l'occhio umano raccoglie la luce e la mette a fuoco sulla retina.

In definitiva Hubble è stato lanciato in orbita perché l'atmosfera con i suoi movimenti d'aria distorce l'immagine di oggetti celesti e non ne permette una visione precisa. Al contrario è del tutto impossibile usare da Terra un telescopio che raccoglie raggi gamma come Integral, perché i raggi gamma sono assorbiti dall'atmosfera terrestre: ed è una fortuna, perché i raggi gamma possono essere un milione di volte più energetici di quanto non siano i raggi ultravioletti, che già sono pericolosi per le nostre cellule: se l'atmosfera non proteggesse il nostro pianeta, i raggi gamma distruggerebbero qualsiasi forma di vita. Se vogliamo dare un'occhiata al "cielo gamma" è necessario usare un telescopio spaziale.

C'è un'altra differenza sostanziale molto interessante: quando vogliamo guardare un oggetto, lo mettiamo a fuoco. È proprio in questa "messa a fuoco" che si forma l'immagine, chiunque abbia mai scattato una fotografia capisce bene a cosa mi riferisco. Ma per mettere a fuoco un oggetto, la lente del nostro occhio deve essere in grado di deviare la luce che proviene da quell'oggetto.

I raggi gamma invece sono così energetici che nessuno specchio è in grado di deviarli dal loro cammino: quindi l'immagine di una sorgente che emette questa luce non può essere messa a fuoco con metodi come questi. Integral funziona in modo completamente diverso da Hubble, da questo punto di vista.

Ma quali informazioni può darci Integral che il Telescopio spaziale Hubble non ci dà?

Integral during one of many vibration tests
Integral ad ESTEC

I raggi gamma, per esempio, sono emessi durante il decadimento radioattivo di alcuni elementi come 26Al o 44Ti, che sono elementi prodotti nel corso di violente esplosioni stellari, come le supernovae, l'esplosione che suggella la morte delle stelle molto più massive del Sole. Raccogliere questi fotoni significa capirne di più sulle esplosioni che li producono e quindi sulla formazione degli elementi all'interno delle stelle. Quando una stella molto più grande del Sole muore può dar luogo a una stella di neutroni o a un buco nero: il gas attratto da corpi come questi viene scaldato fin quando non emette raggi gamma.

Studiare raggi gamma proveniente da corpi di questo tipo ci consente di investigare proprio le condizioni fisiche di questi misteriosi corpi, che ubbidiscono a leggi della fisica diverse dalle leggi classiche che si studiano a scuola.

Hubble Space Telescope (HST)
Il telescopio spaziale Hubble

Il Telescopio Hubble è stato messo in orbita nel 1990. Perché si è dovuto aspettare tanto per un telescopio in grado di raccogliere i raggi gamma?

Per rivelare i raggi gamma si usano rivelatori che sono molto simili a quelli usati per misurare il flusso di particelle: in pratica, di un raggio gamma si misura l’energia trasportata. Tuttavia questo metodo non consente di determinare la direzione da cui il fotone gamma è arrivato: semplicemente si può dire quanta energia trasportava.

Vedere un oggetto significa saper ricostruire con esattezza la direzione da cui proviene la luce che arriva da quell'oggetto. Il nostro cervello riesce a ricostruire la traiettoria delle luce, come un segugio che fiuta le orme di un ladro.

Il problema è che al cervello gli indizi vengono forniti dagli occhi, che mettono a fuoco l'immagine deviando i raggi luminosi. Ma se i raggi gamma non possono essere deviati, come ottenere informazioni analoghe?

Il problema è che al cervello gli indizi vengono forniti dagli occhi, che mettono a fuoco l'immagine deviando i raggi luminosi. Ma se i raggi gamma non possono essere deviati, come ottenere informazioni analoghe?

Il problema è stato risolto per la prima volta nel 1986, grazie a un trucco molto ingegnoso ma piuttosto complicato. In pratica sopra i rivelatori si mette una piastra, detta maschera codificata, con una grande quantità di buchi disposti in un certo modo. Quando un raggio gamma passa per il buco viene rivelato, altrimenti no. Quindi quando ci si trova di fronte a una sorgente sul rivelatore viene proiettata l'ombra della piastra o di una parte di piastra. Bene, dallo studio dell'ombra della piastra e delle zone di luce, un cervello "matematico" è in grado di determinare la posizione della sorgente che è stata osservata.

Questo metodo, di fatto, sostituisce la "messa a fuoco" tradizionale e consente di avere vere e proprie immagini di un corpo celeste che emette raggi gamma: Ibis sarà in grado di individuare la posizione di un corpo celeste con una precisione paragonabile a quella che occorre per distinguere una persona in piedi a una distanza di un kilometro.

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