MAPPA della PAGINA: L'ASTRONOMIA GAMMA... Agg. 17.09.2004
L'astronomia per secoli è stata fatta solo tramite osservazioni nella banda ottica, solo nel secolo scorso l'osservazione del cielo si è allargata a tutte le frequenze dello spettro elettromagnetico, grazie soprattutto allo sviluppo tecnologico e alla possibilità di portare strumenti al di fuori dell'atmosfera terrestre. Questo ha fornito una grandissima quantità di informazioni che si sono aggiunte alla conoscenza che si aveva dell'universo. L'universo infatti ci appare diverso a seconda della lunghezza d'onda che utilizziamo. Lo studio della radiazione X e gamma (cioè fotoni con energia maggiore di circa 1 keV) ha mostrato un aspetto dell'universo violento e rapidamente variabile che ha profondamente rivoluzionato l'astronomia moderna e più in generale l'idea stessa che avevamo di un universo quasi 'immutabile', come ci è apparso per secoli in ottico. Questo discorso vale in modo particolare per l'astronomia gamma che, studiando i fotoni di maggiore energia dello spettro elettromagnetico, ha mostrato alcuni dei fenomeni celesti più energetici conosciuti ad oggi. Inoltre la scarsa probabilità di interazione con la materia che caratterizza i raggi gamma fa in modo che studiando questa radiazione si riesca ad osservare, con relativa facilità, sorgenti a distanze notevoli da noi. I raggi gamma osservati sono generati principalmente da emissioni non termiche, dovute a interazioni di particelle di alta energia, in particolare:
1-Radiazione
di sincrotrone, dovuta al moto spiraleggiante di particelle
cariche intorno alle linee di un campo magnetico. Per campi molto intensi, come
quelli generati da stelle a neutroni, la radiazione prodotta cade nella banda
gamma.
2-Collisioni tra
protoni, possono produrre raggi gamma principalmente attraverso
il decadimento di mesoni, questo processo ha luogo, per esempio, nell'interazione
tra raggi cosmici e il mezzo interstellare.
3-Effetto
Compton inverso. Un elettrone energetico interagendo con un
fotone può trasferire parte della sua energia al fotone.
Tramite questo processo gli elettroni di alta energia
(dell'ordine dei GeV)
presenti nei raggi cosmici possono originare radiazione
gamma interagendo con la radiazione stellare e la radiazione cosmicadi
fondo.
4-Radiazione
di bremsstrahlung, originata quando una particella carica viene
frenata dal campo elettrico di un nucleo. è particolarmente importante
nel caso della componente elettronica dei raggi cosmici.
5-Annichilazione.
Degli elettroni e dei positroni eventualmente
presenti in una regione di spazio producono, per annichilazione,
due raggi gamma con energia complessiva uguale all'energia
totale delle due particelle.
DIGRESSIONE...
Calcolo classico della potenza irradiata in un anello di accumulazione da una carica q.
Una carica q viene mantenuta in moto circolare uniforme alla velocità non relativistiva v (v<<c) in un anello di accumulazione di raggio R. Sia B l'intensità del campo magnetico ortogonale al piano orbitale. Dalla seconda legge di Newton:
si deduce che:
Indicando con w C la frequenza angolare del moto; si ha che:
,
da cui:
wC viene denominata frequenza di ciclotrone. L'accelerazione della particella, espressa in termini di...
è:
  |
La potenza emessa dalla carica accelerata, si calcola dalla formula non relativistica di Larmor:
sostituendo l'accelerazione, si ha:
Nel caso di N cariche q,
Volendo evidenziare l'influenza della massa m della particella q sulla potenza P, basta sostituire wC nella relazione precedente:
Da questa relazione è evidente che, a parità di velocità, le particelle che emettono maggiore potenza sono quelle aventi massa minore. E' per questo motivo che le facility di luce di sincrotrone generalmente utilizzano elettroni e talvolta positroni. Sempre a parità di velocità un protone emette una potenza di circa (2000)2 volte inferiore di quella di un elettrone essendo la massa del protone circa 2000 volte maggiore di quella di una elettrone.
Diagramma di radiazione di un anello di accumulazione (o di un ciclotrone)...
  |
A velocità non relativistiche, la distribuzione della radiazione ha una forma simile a quella di un pneumatico che ruota solidalmente alla particella q che emette la radiazione.
Polarizzazione in funzione dell'angolo di osservazione
|
Radiazine emessa da una carica accelerata
Sia
Il campo elettrico generato dalla carica q, a distanza r da essa è:
dove
e nell'ipotesi che
Il vettore di Pointing è:
Considerando che:
il modulo del campo elettrico è dato da:
mentre il modulo del vettore di Pointing e dato da:
Il vettore
Il diagramma di radiazione di una carica puntiforme accelerata a velocità non relativistiche ha la forma tipica di un pneumatico. In un piano ortogonale all'accelerazione il diagramma di radiazione è un cerchio. Polarizzazione della radiazione emessa da una carica accelerata
Il campo elettrico della radiazione emessa da una particella carica accelerata è diretto in direzione:
dove Potenza irradiata da una carica accelerata: La formula di Larmor La potenza totale irradiata da una carica q accelerata a velocità non relativistiche, si ottiene integrando il vettore di Pointing sull'area di una sfera il cui centro coincide con la posizione istantanea della carica:
dove, passando
in coordinate polari: ed integrando, si ottiene: 
 La formula non relativistica di Larmor è dunque:
Si osservi la dipendenza della potenza irradiata dal quadrato della carica e dell'accelerazione. |
FINE DIGRESSIONE
La regione dei raggi gamma è stata l'ultima banda elettromagnetica ad essere esplorata dall'astronomia, questo principalmente per due motivi. In primo luogo si è dovuto aspettare che la tecnologia fosse in grado di portare in orbita i rivelatori per superare l'opacità dell'atmosfera. Il secondo problema riguarda le particelle cariche presenti nella magnetosfera, che, interagendo con i rivelatori, possono essere interpretate come fotoni gamma. Essendo il loro flusso maggiore di diversi ordini di grandezza rispetto al flusso di fotoni gamma, esse costituirebbero un 'rumore' di fondo che nasconderebbe completamente la radiazione gamma. E' stato quindi necessario progettare dei dispositivi in grado di distinguere con grandissima efficienza i fotoni dalle particelle cariche. I primi tentativi di osservare raggi gamma di origine cosmica furono fatti negli anni sessanta con strumenti montati su palloni. Un vero sviluppo dell'astronomia gamma si ebbe però solo con l'uso di strumenti a bordo di satelliti artificiali. Le missioni spaziali che sono state più importanti nello sviluppo dell'astronomia gamma sono state principalmente tre.
La prima fu il satellite americano SAS-2 lanciato nel 1972 che operò per soli otto mesi, ma fu in grado di evidenziare l'emissione diffusa del piano galattico, e di individuare due sorgenti localizzate, le pulsar Crab e Vela. Lo strumento principale era una camera a scintille (vedi figura sotto) capace di rivelare la direzioni dei fotoni con energia maggiore di 20 MeV studiando la coppia elettrone/positrone da essi prodotta.
La camera era circondata da una cupola di scintillatori
con il compito di funzionare da anticoincidenza, segnalando il passaggio
di particelle cariche.La tecnica di rivelazione dei gamma e la struttura della
sonda è stata ripresa dalle missioni successive. Nel 1975
fu lanciato COS-B per conto dell'Agenzia Spaziale
Europea (ESA),
funzionò per un periodo molto più lungo rispetto a quello 
previsto,
terminando la sua missione nel 1982.
La struttura di COS-B era simile a quella di SAS-2,
ma, in aggiunta, era dotato di un calorimetro che permise
di misurare l'energia dei fotoni gamma con una precisione del 40%.
Grazie a questo satellite, si potè creare
il primo catalogo di sorgenti gamma, comprendente più di 20
oggetti. Tra questi si trova la prima sorgente gamma extragalattica,
il quasar 3C 273 e la prima
sorgente identificata con una nube molecolare,
rho Oph. Inoltre
COS-B ha prodotto ad una dettagliata
mappa della Galassia che mostra l'emissione del disco e la struttura dei bracci
a spirale.
Il Compton Gamma-Ray Observatory
La vera 'rivoluzione'
in questo campo dell'astronomia avvenne con il lancio, nel 1991,
del satellite americano Compton Gamma-Ray
Observatory (CGRO)
a bordo del quale, si trovavano quattro strumenti in grado di coprire complessivamente
tutta la banda di energie comprese tra gli 0.1 MeV e i 30
GeV. Questi erano:
OSSE
(Oscillating
Scintillation Spectrometer),
dedicato ai raggi gamma X duri, BATSE
(Burst and
Transient Source Experiment),
uno strumento ottimizzato per rivelare lampi gamma su tutto il campo di vista
disponibile, COMPTEL
(Compton Telescope),
rivolto alla parte intermedia dello spetto (1-30
MeV), e infine il telescopio
EGRET
(Energetic
Gamma Ray Telescope Experiment)
operante circa nello stesso intervallo di energie delle missioni
sopracitate (30 MeV
- 30 GeV). EGRET
aveva una grande area efficace (più
di 1000 cm2, circa
il doppio di quelle di SAS-2
e COS-B)
che, unita a una buona risoluzione angolare, ha consentito di aumentare di
un fattore 10 il numero di sorgenti note, e di migliorare
la conoscenza della componente diffusa gamma. La missione CGRO
si è conclusa nel giugno del 2000
quando, a causa del deterioramento degli strumenti di bordo, il satellite
è stato fatto rientrare in atmosfera.
Attualmente non è operativo nessuno strumento spaziale gamma. La NASA è impegnata nella realizzazione dell'esperimento successore di EGRET, la sonda GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), che è prevista per un lancio nel 2006.
In quasi 11 anni di osservazioni EGRET ha rivelato circa 2 milioni di fotoni gamma che rappresentano oggi la maggiore fonte di informazioni sull'emissione del cielo nei raggi gamma con energia maggiore di 100 MeV. Questi fotoni hanno permesso di studiare la radiazione diffusa della nostra galassia, il fondo presumibilmente extragalattico e circa 300 sorgenti, solo una parte delle quali è stata identificata.
La maggior parte delle sorgenti identificate da EGRET appartengono alla classe dei nuclei galattic attivi o AGN (dall'inglese Active Galactic Nuclei), cioè galassie caratterizzate da un'intensa e variabile emissione proveniente dal loro nucleo. Si ritiene che questa possa essere originata da un buco nero supermassiccio (106-1010 Mo) che si troverebbe al centro di questi oggetti. Nel caso di emissione isotropa, è necessaria una fonte di energia capace di fornire 1042 e 1049 erg s-1.
In particolare le sorgenti osservate nel campo dei raggi gamma di alta energia fanno parte di una sottoclasse di AGN chiamata Blazar. Questa classe raggruppa sorgenti come le BL Lac e i Quasar radio-emettitori (da cui deriva il nome BL - asar). Le caratteristiche principali di questa classe sono la forte variabilità in tutte le frequenze osservabili e la loro elevata luminosità intrinseca. Si ritiene che l'emissione dei Blazar sia associabile a un getto di materia con energia relativistica diretto verso la Terra. Questo modello potrebbe spiegare l'intenso flusso di energia osservato da questi oggetti, che non essendo isotropo richiederebbe una luminosità complessiva minore di uno o due ordini di grandezza rispetto ad un'emissione isotropa (poichè l'emissione sarebbe concentrata su piccoli angoli piuttosto che su 4p). Ma questo diminuirebbe il numero di oggetti potenzialmente osservabili da Terra, poichè solo quelli che hanno uno dei getti rivolti verso di noi risulterebbero visibili.I blazar osservati da EGRET hanno una ampia distribuzione in redshift, più di metà di essi hanno redshift maggiore di 1.
Le prime sorgenti di raggi gamma ad essere identificate appartengono alla classe delle pulsar. Le emissioni gamma delle pulsar Crab e Vela sono infatti riconoscibili già nelle osservazioni di SAS-2. Dopo le osservazioni di EGRET il numero di pulsar di cui è nota con sicurezza un'emissione gamma è salito a sette. Le pulsar sono stelle a neutroni, cioè lo stadio evolutivo finale di stelle con massa intermedia. Una stella infatti rimane "in vita" finche rimangono attive nel suo interno le reazioni nucleari che costituiscono la fonte di energia della stella stessa. Il combustibile nucleare per tali reazioni e costituito dall'idrogeno prima e in seguito dagli elementi progressivamente più pesanti. Le stelle piu massiccie terminano questo processo quando il loro nucleo diviene costituito da elementi del gruppo del ferro, a questo punto infatti le uniche reazioni nucleari possibili sarebbero endotermiche.
La perdita dell'energia che garantiva l'equilibrio della stella causa un collasso gravitazionale del nucleo e l'esplosione degli strati piu esterni della stella, si ha cosi un'esplosione di supernova. Lo stato finale del nucleo stellare dipende dalla sua massa, se questa è minore di circa 1,3 masse solari si genera una nana bianca, se il nucleo è più massiccio di circa 2 masse solari si genera un buco nero, nei casi intermedi viene prodotta una stella a neutroni .Le stelle a neutroni sono costituite da un gas degenere dineutroni, confinato in una regione di dimensioni estremamente compatte, il raggio e' infatti dell'ordine della decina di chilometri. Questo implica densità enormi che possono arrivare fino a 1015 g/cm3. Poiche' durante il collasso il nucleo conserva il proprio momento angolare, mentre le dimensioni diminuiscono di molti ordini di grandezza, il periodo di rotazione di questi oggetti risulta compreso tra pochi secondi e i centesimi di secondo. Il collasso gravitazionale porta ad un aumento del campo magnetico della stella fino a oltre 1010 gauss. Nel 1968 si scoprì che questi oggetti possono emettere attraverso due fasci molto collimati diretti lungo l'asse magnetico che ruotano in modo solidale alla stella creando una caratteristica radiazione impulsata con periodo uguale al periodo di rotazione della stella, da cui il nome di pulsar. La maggior parte delle pulsar sono state scoperte attraverso osservazioni radio, ma sono state viste delle pulsar in tutte le bande eletromagnetiche.Si pensa che l'emissione gamma delle pulsar sia generata, per radiazione di sincrotrone, dalle particelle cariche del mezzo circostante, accellerate dai campi elettrici prodotti dalla rapida rotazione del campo magnetico stellare. Sono stati elaborati diversi modelli per spiegare come questo possa avvenire, tra cui i più celebri sono i cosiddetti "polar cap" e "outer gap" che differiscono tra loro principalmente per la regione in cui secondo i due modelli si genererebbero i raggi gamma (figura di seguito).
Circa due terzi delle sorgenti individuate da EGRET sono ad oggi non identificate, cioè non si sa quale tipo di oggetto sia all'origine dell'emissione osservata. Si ritiene che la maggior parte di queste in futuro possano essere ricondotte all'interno delle classi già note di sorgenti gamma, cioè nuclei galattici attivi o pulsar, tuttavia non si esclude la possibilità dell'esistenza di altri tipi di emettitori gamma. L'identificazione di queste sorgenti, grazie anche allo studio attraverso altre lunghezze d'onda, rappresenta una delle maggiori sfide dell'attuale astronomia gamma.
Alle
sorgenti rappresentate nella figura
precedente, che costituiscono il catalogo di sorgenti
gamma viste da EGRET,
si aggiunge una classe di fenomeni transienti chiamati Gamma
Ray Burst, che sono sicuramente tra fenomeni più
affascinanti del cielo gamma. I Gamma Ray Burst
sono lampi di emissione gamma che per brevi istanti, dell'ordine
dei secondi o anche meno, illuminano il cielo gamma.Questi fenomeni
si osservano ormai da circa trent'anni, le prime detezioni risalgono
alla fine degli anni sessanta, ad opera dei satelliti militari
Vela.
Da allora le osservazioni di questi lampi si sono moltiplicate,
di particolare importanza sono state le osservazioni (oltre
che di EGRET)
dello strumento BATSE,
anch'esso a bordo del CGRO,
costruito appositamente per studiare questo genere di fenomeni.
Nonostante che al giorno d'oggi gli eventi rivelati
siano dell'ordine di qualche migliaio, si conosce ancora poco sulla
loro origine. Ciò che si sa
per certo è che la regione in cui si genera la radiazione
deve essere estremamente ridotta, infatti per produrre lampi di
così breve durata essa non può essere più grande
di pochi secondi-luce.Un altro dato certo è
la loro distribuzione nel cielo, che è del tutto isotropa,
il che implica una distribuzione sferica, rispetto alla Terra, della
classe di oggetti che li produce. Per molti anni i modelli teorici
sui lampi gamma si sono divisi tra quelli che proponevano un' origine
galattica, in particolare nell'alone, e quelli che ipotizavano un'origine
extragalattica. Solo recentemente il satellite italiano Beppo-SAX
ha osservato per la prima volta il transiente X associato
ai lampi gamma. 
Grazie
all'osservazione della componente X, che decade
molto più lentamente, è stato possibile identificare
la provenienza dei Gamma Ray Burst da galassie
con elevato redshift. Questo implica che i Gamma
Ray Burst abbiano origine da esplosioni molto più
energetiche di quelle delle supernovae. Per tentare
di spiegare una simile emissione sono stati prodotti vari scenari,
come l'esplosione di stelle di massa molto elevata (ipernovae),
o la fusione di due stelle di neutroni.
I modelli teorici che attualmente sembrano spiegare meglio le osservazioni
prevedono che, indipendentemente da quale sia la fonte di energia,
l'emissione avvenga all'interno di un getto
di materia in cui si sovrappongono
onde d'urto. In questo
caso la radiazione risultante non sarebbe isotropa,
e quindi richiederebbe una minore
quantià di energia.
Oltre alle sorgenti localizzate EGRET
ha osservato un fondo di radiazione diffusa, in particolare dalle
osservazioni si possono distingure una componente galattica sovrapposta
al piano della galassia, e una componente isotropa. Si ritiene che
la componete galattica di questo fondo sia generata principalmente
dall'interazione di raggi cosmici con il gas interstellare. I raggi
gamma si producono attraverso il decadimento di particelle
po generate dall'urto dei protoni presenti
nei raggi cosmici con l'idrogeno interstellare,
la componete elettronica dei raggi cosmici può
invece interagire tramite bremsstrahlung con il gas presente nelle
nubi galattiche. Grazie all'osservazione
del fondo galattico è stato perciò possibile avere
una mappa della distribuzione di materiale interstellare nella galassia.
Osservando l'analoga emisione proveniente dalle nubi
di Magellano è stato anche possibile determinare
il flusso di raggio cosmici presente in queste galassie, il che
è servito per dimostrare che l'origine di tali particelle
è galattica. L'origine della componente isotropa del fondo
gamma invece non è ancora del tutto chiara. Un'ipotesi
formulata prevede che sia costituita da un fondo non risolto di
galassie sorgenti di raggi gamma. A
questa radiazione extragalattica potrebbe però sovrapporsi
una componente galattica proveniente dall'alone.
Satellite solves
30-year gamma-ray mystery
EUROPEAN SPACE AGENCY NEWS RELEASE
Posted: March
17, 2004
ESA's Integral gamma-ray observatory has resolved the diffuse glow of gamma rays in the centre of our Galaxy and has shown that most of it is produced by a hundred individual sources. Integral's high sensitivity and pointing precision have allowed it to detect these celestial objects where all other telescopes, for more than thirty years, had seen nothing but a mysterious, blurry fog of gamma rays ...
The central regions of the Mikly Way as seen by Integral in gamma rays. The brightest 91 objects seen in this image were classified by Integral as individual sources, while the others appear too faint to be properly characterised at this stage. Credit: ESA, F. Lebrun (CEA-Saclay)
During the spring and autumn of 2003, Integral observed the central regions of our Galaxy, collecting some of the perpetual glow of diffuse low-energy gamma rays that bathe the entire Galaxy. These gamma rays were first discovered in the mid-1970s by high-flying balloon-borne experiments. Astronomers refer to them as the 'soft' Galactic gamma-ray background, with energies similar to those used in medical X-ray equipment. Initially, astronomers believed that the glow was caused by interactions involving the atoms of the gas that pervades the Galaxy. Whilst this theory could explain the diffuse nature of the emission, since the gas is ubiquitous, it failed to match the observed power of the gamma rays. The gamma rays produced by the proposed mechanisms would be much weaker than those observed. The mystery has remained unanswered for decades. Now Integral's superb gamma-ray telescope IBIS, built for ESA by an international consortium led by Principal Investigator Pietro Ubertini (IAS/CNR, Rome, Italy), has seen clearly that, instead of a fog produced by the interstellar medium, most of the gamma-rays are coming from individual celestial objects. In the view of previous, less sensitive instruments, these objects appeared to merge together. In a paper published today in "Nature", Francois Lebrun (CEA Saclay, Gif sur Yvette, France) and his collaborators report the discovery of 91 gamma-ray sources towards the direction of the Galactic centre. Lebrun's team includes Ubertini and seventeen other European scientists with long-standing experience in high-energy astrophysics. Much to the team's surprise, almost half of these sources do not fall in any class of known gamma-ray objects. They probably represent a new population of gamma-ray emitters. The first clues about a new class of gamma-ray objects came last October, when Integral discovered an intriguing gamma-ray source, known as IGRJ16318-4848. The data from Integral and ESA's other high-energy observatory XMM-Newton suggested that this object is a binary system, probably including a black hole or neutron star, embedded in a thick cocoon of cold gas and dust. When gas from the companion star is accelerated and swallowed by the black hole, energy is released at all wavelengths, mostly in the gamma rays. However, Lebrun is cautious to draw premature conclusions about the sources detected in the Galactic centre. Other interpretations are also possible that do not involve black holes. For instance, these objects could be the remains of exploded stars that are being energised by rapidly rotating celestial 'powerhouses', known as pulsars. Observations with another Integral instrument (SPI, the Spectrometer on Integral) could provide Lebrun and his team with more information on the nature of these sources. SPI measures the energy of incoming gamma rays with extraordinary accuracy and allows scientist to gain a better understanding of the physical mechanisms that generate them. However, regardless of the precise nature of these gamma-ray sources, Integral's observations have convincingly shown that the energy output from these new objects accounts for almost ninety percent of the soft gamma-ray background coming from the centre of the Galaxy. This result raises the tantalising possibility that objects of this type hide everywhere in the Galaxy, not just in its centre. It is tempting to think that we can simply extrapolate our results to the entire Galaxy. However, we have only looked towards its centre and that is a peculiar place compared to the rest. Next on Integral's list of things to do is to extend this work to the rest of the Galaxy. We now have to work on the whole disc region of the Galaxy. This will be a tough and long job for Integral. But at the end, the reward will be an exhaustive inventory of the most energetic celestial objects in the Galaxy. The paper explaining these results will appear on the 18 March 2004 issue of "Nature". The author list includes F. Lebrun, R. Terrier, A. Bazzano, G. Belanger, A. Bird, L. Bouchet, A. Dean, M. Del Santo, A. Goldwurm, N. Lund, H. Morand, A. Parmar, J. Paul, J.-P. Roques, V. Schoenfelder, A. Strong, P. Ubertini, R. Walter and C. Winkler.
Integral
The International Gamma Ray Astrophysics Laboratory (Integral) is the first space observatory that can simultaneously observe celestial objects in gamma rays, X-rays and visible light. Integral was launched on a Russian Proton rocket on 17 October 2002 into a highly elliptical orbit around Earth. Its principal targets include regions of the galaxy where chemical elements are being produced and compact objects, such as black holes. IBIS, Imager on Board the Integral Satellite - IBIS provides sharper gamma-ray images than any previous gamma-ray instrument. It can locate sources to a precision of 30 arcseconds, the equivalent of measuring the height of a person standing in a crowd, 1.3 kilometres away. The Principal Investigators that built the instrument are P. Ubertini (IAS/CNR, Rome, Italy), F. Lebrun (CEA Saclay, Gif sur Yvette, France), G. Di Cocco (ITESRE, Bologna, Italy). IBIS is equipped with the first un-cooled semiconductor gamma-ray camera, called ISGRI, which is responsible for its outstanding sensitivity. ISGRI was developed and built for ESA by CEA Saclay, France. SPI, Spectrometer on Integral - SPI measures the energy of incoming gamma rays with extraordinary accuracy. It is more sensitive to faint radiation than any previous gamma ray instrument and allows the precise nature of gamma ray sources to be determined. The Principal Investigators that developed SPI are J.-P. Roques, (CESR, Toulouse, France) and V. Schoenfelder (MPE, Garching, Germany).
XMM-Newton
XMM-Newton can detect more X-ray sources than any previous observatory and is helping to solve many cosmic mysteries of the violent Universe, from black holes to the formation of galaxies. It was launched on 10 December 1999, using an Ariane-5 rocket from French Guiana. Its orbit takes it almost a third of the way to the Moon, so that astronomers can enjoy long, uninterrupted views of celestial objects.
17.03.2004 ASTROFISICA DELLE ALTE ENERGIE E COSMOLOGIA
Il fattore determinante nello sviluppo dell'astrofisica degli ultimi decenni è stato l'ampliamento a tutto lo spettro elettromagnetico della banda osservabile prima confinata alla radiazione visibile. Ciò è stato possibile solo quando si è stati in grado di portare i telescopi e i rivelatori di fotoni al di fuori dello schermo assorbente dell'atmosfera. La ricerca dallo spazio è così diventata, in tempi brevissimi, il miglior strumento per cercare risposte a quesiti fondamentali quali l'origine e la storia dell'Universo, quesiti che, estesi alle loro estreme conseguenze, portano all'origine della vita sul nostro pianeta e, in ultima analisi, alle nostre origini. Inoltre, attraverso lo studio dei fenomeni fisici che regolano il comportamento della materia e della radiazione si ottengono, direttamente, le leggi che, opportunamente applicate, portano a rendere più comoda, più duratura e più sicura la vita degli umani. Nel processo possono nascere nuove tecnologie la cui applicazione è fondamentale per lo sviluppo industriale e, quindi, per lo sviluppo del paese che le implementa.
Immagine della Via Lattea alle diverse lunghezze d'onda (ADF-GSFC/NASA)
I fenomeni fisici che avvengono negli oggetti celesti manifestano i propri meccanismi di base attraverso particelle relativistiche (cioè con velocità prossime a quella della luce) e plasmi ad altissima temperatura (milioni di gradi o più). A differenza dell'astronomia ottica che fornisce una visione "integrata" della radiazione raccolta, gli strumenti per l'astronomia alle alte energie rivelano i fotoni uno ad uno e possono quindi fornire tutte le informazioni che sono contenute nell'emissione elettromagnetica. Ogni fotone celeste, infatti, porta con sé quattro informazioni fondamentali: la direzione d'arrivo, cioè le coordinate del punto del cielo dove è stato prodotto, il tempo nel quale è stato prodotto, la sua energia e il suo stato di polarizzazione. Le radiazioni cosmiche di alta energia sono quindi di fondamentale importanza in quanto solo attraverso la loro rivelazione si può trovare la spiegazione dei processi fondamentali che hanno luogo negli oggetti celesti.
L'immagine di un "lampo gamma" ottenuta da Beppo SAX
Lo studio della cosmologia, nato e sviluppatosi nella banda ottica, incluso l'utilizzo di Hubble Space Telescope (HST), ha recentemente avuto una evoluzione verso lo studio della radiazione diffusa di fondo che si manifesta nella banda delle microonde. La raccolta di questi dati è una sfida tecnologica di grande portata, ma la loro interpretazione ci permette di ottenere informazioni sulle origine e sul destino dell'Universo. Infine, lo studio dei raggi cosmici ci permette di indagare il cosmo ad energie irraggiungibili negli acceleratori sulla Terra, e di ottenere preziose indicazioni sulle fasi di evoluzione dell'Universo. I raggi cosmici vengono emessi dalle stelle in particolare durante alcuni fenomeni che liberano molta energia, come le esplosioni di supernovae. Alcuni hanno origine nel Sole, altri da sorgenti nella Via Lattea, altri ancora da sorgenti esterne alla nostra galassia. Il loro moto attraverso i campi magnetici interstellari fa sì che subiscono continue accelerazioni e raggiungano energie straordinariamente elevate. Dallo studio della composizione dei raggi cosmici si tramite di poter identificare quella componente di massa oscura che, su grande scala, sembra componga fino al 90% della massa dell'intero Universo.
Il risultato dell'esperimento
Boomerang
suggerisce che l'Universo sia "piatto"
Utenti connessi...:
CHANDRAst
l'accelerazione di una carica elettrica q nell'istante
t'. Indichiamo con t l'istante
di tempo successivo all'istante t', cioè:
rappresenta la componente dell'accelerazione normale al raggio
r. Questa formula è valida nell'approssimazione
di basse velocità:
, dove l è
la lunghezza d'onda della radiazione emessa.. Inoltre si suppone
che:
, d = dimensione caratteristica dello spazio
occupato dalla carica accelerata (approssimazione di dipolo
del campo di radiazione). Il campo
magnetico generato dalla carica q è
dato da:
dove:
,
descrive il diagramma di distribuzione della radiazione;
esso ha una forma tridimensionale simile a quello di
un pneumatico: 
rappresenta il versore diretto dalla carica alla
posizione occupata dall'osservatore.
