Astronomia Gamma, La tecnica Cherenkov

07/11/2010

Marco Arcani

Astronomia Gamma
La tecnica Cherenkov
 
L'astronomia dei raggi gamma è una delle attività più innovative e ferventi degli ultimi anni, costituisce un importante contributo ai rilevamenti radio, ottici ed infrarossi per cercare di individuare e comprendere i fenomeni cosmici ad alta energia, molti oggetti esotici come i blazars emettono infatti onde elettromagnetiche su tutto lo spettro di frequenza dai raggi gamma alle onde radio.
Per catturare i raggi gamma vengono impiegati particolari telescopi chiamati IACT (imaging atmospheric Cherenkov telescopes) o più semplicemente telescopi Cherenkov.
Ovviamente i raggi gamma che rileviamo sono stati emessi decadi di anni fa o addirittura in tempi remoti quando l'universo era ancora primordiale, i raggi gamma ci permettono di risalire al punto di origine di emissione, mentre per datare l'oggetto ci serve conoscere il suo red-shift e quindi la collaborazione con altri strumenti di ricerca come ad esempio i satelliti Swift e Fermi ed i telescopi terrestri ottico-infrarossi o ad onde radio sub-millimetriche è fondamentale.
Gli eventi gamma più energetici, avvengono in brevi periodi di tempo, nell'ordine di qualche nano-secondo per poi esaurirsi nel giro di decine di secondi a qualche minuto o ore, in questo breve tempo, tutti gli strumenti devono essere coordinati al fine di puntare l'oggetto appena scoperto, a tale scopo viene utilizzato un sistema chiamato telegramma astronomico che in tempo reale trasmette i dati agli osservatori interessati, solitamente il primo rilevamento viene catturato da un satellite che vede il raggio gamma prima che entri in atmosfera, in questo modo gli strumenti a terra hanno il tempo di riprendere anche gli eventi più fulminei.

Le principali sorgenti conosciute che emettono raggi gamma sono:

• Nuclei di galassie attive
• Resti di supernova (Teoria della accelerazione di particelle di Fermi)
• GRB Gamma Ray Bursts - Esplosioni stellari, Blazars, Hypernovae
• ALtri oggetti non identificati
  
  
  

Inoltre si pensa che i raggi gamma possano essere prodotti anche da interazione di particelle con la materia oscura e quindi potrebbe essere un nuovo campo di ricerca in quel senso.

I principali osservatori con telescopi Cherenkov sono Magic (Canarie), Hess (Namibia) e Veritas (Arizona), la foto seguente mostra la prima immagine di H.e.s.s. registrate con il primo telescopio Cherenkov nel 2002.

In questa animazione si trovano le tipiche immagini di sciami allungati così come gli "anelli" di muoni generati quando piogge di particelle raggiungono il suolo e colpiscono il telescopio. Il rilevamento dei raggi gamma di alta energia con i telescopi si basa sulla tecnica di imaging Cherenkov.

La tecnica Cherenkov

Un raggio gamma di alta energia incide  nell'alta atmosfera e interagisce con le molecole dell'aria generando una pioggia di particelle secondarie. Il numero di queste particelle raggiunge un massimo a circa 10 km di altezza, e poi si spegne più in profondità nell'atmosfera. Queste particelle, in particolare elettroni e positroni, poiché si muovono più velocemente della luce (in atmosfera), emettono un particolare tipo di radiazione elettromagnetica, luce Cherenkov, una debole luce blu.

-La radiazione Cherenkov è l’equivalente ottico di un boom acustico che si verifica, ad esempio, quando
un jet viaggia più veloce rispetto alla velocità del suono.
La radiazione Cherenkov è emessa quando una particella carica attraversa la materia ad una velocità più veloce a quella della luce. Ma come può una particella andare più veloce della luce senza violare le leggi della fisica?
La velocità della luce nel vuoto è la massima possibile, circa 300.000 Km al secondo.
Si ritiene che nulla può viaggiare più velocemente. Tuttavia, la luce rallenta quando passa attraverso la materia. Quindi una particella può scivolare attraverso il materiale più velocemente di quanto la luce faccia, mentre allo stesso tempo mantenersi al di sotto della velocità della luce nel vuoto. Quando questo accade, una particella emette luce Cherenkov bluastra, che si estende alle spalle in un fascio a forma di  cono.-

La luce Cherenkov è irradiata attorno alla direzione della particella primaria incidente ed illumina a terra una superficie pari a circa 250 m di diametro, spesso definito come la piscina di luce Cherenkov (Cherenkov light pool).

 Per un fotone di energia primaria al TeV (10¹² eV), arrivano solo circa 100 fotoni per m2 sul terreno, ed arrivano in un intervallo di tempo molto breve, pochi nanosecondi.

Un telescopio situato da qualche parte all'interno del pool di luce "vedrà" lo sciame, a condizione che l'area dello specchio sia abbastanza grande da raccogliere fotoni a sufficienza.
L'area effettiva di rilevamento di un telescopio Cherenkov, è perciò rozzamente data dall'area della piscina Cherenkov, circa 50.000 m2, da confrontare con l'area sub-m2 dei rilevatori posti sui satelliti che mirano a rilevare i raggi gamma prima che interagiscano con l'atmosfera.
L'immagine ottenuta con i telescopi mostra la traccia del cono di luce, che punta indietro verso il corpo celeste dove il raggio gamma incidente ha avuto origine. L'intensità dell'immagine è legata all'energia del raggio gamma.
La forma delle immagini può essere usata per respingere indesiderati "sfondi", come gli sciami indotti da particelle di raggi cosmici secondari.
Con un unico telescopio che fornisce una singola vista di una "pioggia", è difficile ricostruire l'esatta geometria dello sciame nello spazio. Per raggiungere questo obiettivo,  vengono utilizzati più telescopi  da diversi punti, per permettere una ricostruzione stereoscopica della geometria del fascio.

Gli eventi sono estremamente rari, inoltre le normali piogge di raggi cosmici spesso producono adroni che anch'essi producono radiazione Cherenkov che può generare rumore di fondo per i segnali delle sorgenti gamma.
Per questo servono strumenti di largo diametro e con una fine calibrazione dei fotomoltiplicatori addetti al rilevamento. Vengono inoltre realizzati dei software con algoritmi calcolati al fine di eliminare i segnali spuri.

A differenza dei telescopi ottici, i telescopi Ch.non necessitano di un  ccd di grande risoluzione (in termini di file), nemmeno è necessaria una estrema precisione ottica della superficie degli specchi. Invece è richiesta una estrema sensibilità e il più breve possibile tempo di risposta, al fine di catturare i deboli fotoni blu, sono quindi utilizzati i migliori fotomoltiplicatori oggi reperibili.


In questa immagine, il secondario di uno dei telescopi di Magic e un apposito filtro che cattura anche i fotoni più radiali.

Riferimenti:

AsPera.eu.org
http://magic.mppmu.mpg.de/index.en.html
http://veritas.sao.arizona.edu/
http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/