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giovedì 15 giugno 2017

Iddu e le stelle

Non potendo muoverci ed esplorare l’universo in tempi umani, il modo che abbiamo sviluppato per "esplorare" l’universo è raccogliendo la radiazione che ci manda. Il primo e più semplice modo che abbiamo mai utilizzato è indubbiamente l’occhio, però le informazioni che riusciamo a raccogliere utilizzando questo mezzo sono piuttosto limitate. L’universo, infatti, emette energia su varie frequenze: basta solo utilizzare lo strumento giusto per leggerle!
Uno dei segnali che ci manda con maggiore abbondanza è però costituito da particelle ad alta energia, i così detti raggi cosmici. Possiamo immaginarli un po’ come i proiettili animati messicani di Chi ha incastrato Roger Rabbit?: pieni di energia e pronti a interagire con la materia che incontrano.

I Fantastic quattro disegnati da Jack Kirby
Radiazioni dallo spazio profondo
La storia della loro scoperta inizia nel 1909 con il fisico tedesco Theodor Wulf che, misurando le radiazioni intorno alla Torre Eiffel scoprì che i conteggi erano maggiori in cima rispetto alla base. Questa osservazione, però, nonostante la pubblicazione su Physikalische Zeitschrift, non venne mai accettata dalla comunità. Per avere una nuova osservazione nella stessa direzione di quella scoperta da Wulf bisogna attendere il 1911 quando l’italiano Domenico Pacini realizzò alcune misure analoghe su un lago, sul mare e a una profondità di 3 metri dalla superficie. I risultati andavano nella direzione della diminuzione della radioattività subacquea: Pacini concluse allora che una parte della ionizzazione doveva essere dovuta a fonti differenti dalla Terra(1).

Victor Hess
L’ultimo tassello, quello che definitivamente fa parlare di scoperta dei raggi cosmici, è dell’anno successivo, il 1912. Victor Hess mandò in aria un pallone aereostatico fino a un’altitudine di 5300 metri per misurare le radiazioni nell’atmosfera, scoprendo che il valore aumentava man mano che si saliva in alto. Hess, allora, concluse correttamente che la Terra doveva essere colpita da radiazioni esterne altamente penetranti(2). La scoperta dei raggi cosmici fruttò al fisico il Nobel nel 1936.
Lo studio dei raggi cosmici, però, presenta tutta una serie di difficoltà: il fascio primario di particelle che colpisce l’atmosfera prima di giungere sulla superficie subisce tutta una serie di interazioni che allarga a cono le particelle del fascio secondario, costituito soprattutto da muoni (una specie di elettroni piuttosto pesanti). Per poterli studiare, si possono utilizzare degli opportuni strumenti costituiti da più strati di materiali diversi, che permettono di rallentare i muoni e di misurarne le caratteristiche principali, ricostruendo parzialmente le informazioni sul fascio secondario e da qui quelle sul fascio primario. Per raccogliere maggiori dati e migliorarne lo studio, l’INFN ormai da diversi anni sta coinvolgendo le scuole con il progetto EEE, che porta un rilevatore di raggi cosmici negli istituti superiori italiani. Infatti aumentando i punti di rilevazione dei raggi cosmici a terra è possibile riuscire a ricostruire con sempre maggiore precisione il fascio.
L’informazione cui, però, non è possibile risalire è quella della sorgente: le particelle che costituiscono i raggi cosmici primari sono essenzialmente barioni carichi il cui percorso viene deviato dai campi magnetici che attraversano, in particolare quello terrestre. Per cercare di ricavare l’origine di questi fasci di particelle si possono, però, provare a studiare i raggi gamma che ci vengono dalle stelle, questo perché attraverso un modello matematico è possibile associare i raggi gamma con i raggi cosmici.
Un po’ di luce sui raggi cosmici

ASTRI
Allora con la stessa filosofia del progetto EEE, ovvero avere più rilevatori che possano coprire una superficie il più grande possibile, è stato sviluppato il Cherenkov Telescope Array, un sistema di "antenne cosmiche" che verrà costruito in Cile e che osserverà le radiazioni Cherenkov provenienti dalle stelle. La struttura del reticolo di telescopi è abbastanza semplice: verranno costruite antenne di dimensioni differenti (3, per la precisione), di cui quelle maggiori (utilizzate per la rilevazione dei fotoni a energie più basse) poste al centro per poi andare via via verso l’esterno con telescopi Cherenkov sempre più piccoli (utilizzati per la rilevazione dei fotoni a più grande energia).
Prima, però di poter costruire questo sistema di telescopi, si è pensato bene di realizzare un progetto propotipo, ASTRI (Astrofisica con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana), che prevede la costruzione del propotipo di uno dei telescopi più piccoli sul fianco dell’Etna, detto familiarmente Iddu nel circondario catanese(3). Il prototipo in questione, funzionante, ha recentemente osservato il primo lampo Cherenkov dalla sua messa in opera, dimostrando così che il sistema è potenzialmente funzionante. Tra l’altro l’uso di ASTRI per l’osservazione dei raggi gamma provenienti dal cosmo non è l’unico: il gruppo di astronomi dell’INAF, sfruttando la posizione di vicinanza all’Etna, ha proposto l’idea di sfruttare il telescopio per studiare l’attività vulcanica di Iddu e magari provare a prevenire con un certo anticipo le sue eruzioni(4).
  1. D. Pacini (1912). “La radiazione penetrante alla superficie ed in seno alle acque”. Il Nuovo Cimento, Series VI. 3: 93–100. doi:10.1007/BF02957440 (sci-hub).
    Vedi anche A. de Angelis (2010). “Penetrating Radiation at the Surface of and in Water”. arXiv:1002.1810
  2. Nobel Prize in Physics 1936 – Presentation Speech 1936-12-10
  3. In effetti il nomignolo di Iddu viene assegnato anche a Stromboli. Chi sia il vulcano che deve meritarlo, è questione che non compete al sottoscritto.
  4. Catalano, O., Del Santo, M., Mineo, T., Cusumano, G., Maccarone, M. C., & Pareschi, G. (2016). Volcanoes muon imaging using Cherenkov telescopes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 807, 5-12. doi:10.1016/j.nima.2015.10.065 (arXiv)

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