Cielo gamma: due specchi sono meglio di uno

Il telescopio Astri-Horn si trova presso la stazione osservativa dell’osservatorio astrofisico dell’Inaf di Catania, a Serra La Nave, sull’Etna. Lo specchio principale tassellato ha un diametro di 4 metri e lo specchio monolitico secondario ha un diametro di 1.8 metri. Crediti: Inaf

Esattamente 30 anni dopo la prima osservazione storica della Nebulosa del Granchio alle energie TeV, che ha aperto l’era dell’astronomia nei raggi gamma di altissima energia con la tecnica Cherenkov, è stato raggiunto un altro importante traguardo in questo campo. Il telescopio Cherenkov Astri-Horn, basato sull’innovativa configurazione ottica aplanatica a doppio specchio Schwarzschild-Couder e dotato di una camera altrettanto innovativa, ha rilevato per la prima volta la Nebulosa del Granchio alle energie dette “del TeV”, dimostrando la fattibilità di queste nuove tecnologie.

Nel 1989, la prima osservazione della Nebulosa del Granchio alle energie del TeV (circa mille miliardi di volte l’energia della luce visibile) era stata ottenuta con il telescopio americano a singolo specchio Whipple. Questa scoperta ha segnato l’inizio dell’astronomia TeV che, con la sua rapida crescita, ha portato alla rilevazione di circa 200 sorgenti di raggi gamma da parte di altri strumenti a terra come Hess, Magic e Veritas e ha aperto la strada alla prossima generazione: il Cherenkov Telescope Array (Cta).

Immagine ottenuta sommando insieme più lunghezze della Nebulosa del Granchio. La Nebulosa del Granchio è quanto rimane di una supernova esplosa nel 1054 d.C. Al centro della nebulosa è presente una stella di neutroni. La Nebulosa del Granchio è stata osservata a tutte le lunghezze d’onda che vanno dalla radio fino ai raggi gamma ed è tipicamente usata come una “candela standard” per strumenti che osservano il cosmo alle alte energie. Crediti: Nasa

Poiché i raggi gamma non raggiungono mai la superficie terrestre, questi strumenti utilizzano la rivelazione della cosiddetta luce Cherenkov che si genera nell’interazione dei raggi gamma con l’atmosfera. I raggi gamma di alta energia entrando in contatto con l’atmosfera terrestre producono cascate di particelle subatomiche – queste particelle altamente energetiche possono viaggiare più velocemente della velocità della luce nell’aria, dando luogo a un debole (e brevissimo, dell’ordine del miliardesimo di secondo) lampo di luce bluastra. I telescopi Cherenkov, sin dall’inizio, sono stati costruiti per catturare questa luce e quindi, indirettamente, rilevare i segnali in raggi gamma emessi dalle sorgenti celesti. Per questo scopo sono stati adottati finora configurazioni ottiche semplificate che prevedono un solo specchio in cui la luce viene riflessa per essere catturata direttamente dalla camera di rilevazione.

L’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) con il sostegno del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (Miur) sta conducendo il progetto Astri finalizzato alla progettazione, implementazione e all’uso astronomico di un prototipo di telescopio completo proposto per i Telescopi con specchio principale di 4 metri per il futuro grande Osservatorio internazionale per raggi gamma Ctao (Cherenkov Telescope Array Observatory), il cui centro direzionale è a Bologna, nella sede dell’Inaf.

Questo telescopio Cherenkov è denominato Astri-Horn, in onore di Guido Horn d’Arturo, astronomo italiano che fu direttore dell’Osservatorio di Bologna, che per primo propose nel secolo scorso la tecnologia degli specchi a tasselli in campo astronomico. Il prototipo Astri-Horn, situato sull’Etna presso la stazione di osservazione Inaf “MC Fracastoro”, è stato sviluppato come un progetto completo, basato in larga parte su tecnologie sviluppate da INAF e industrie nazionali. Il telescopio adotta per la prima volta una configurazione ottica detta di Schwarzschild-Couder a doppio specchio, che permette di ottenere un campo di vista molto grande, di circa 10 gradi di diametro. I due specchi sono posizionati in asse, così da poter riflettere e focalizzare la luce e “fotografare” in modo omogeneo, senza distorsioni, una regione di cielo molto estesa, al contrario di altri telescopi che sono necessariamente limitati nel loro campo di vista. Il telescopio ASTRI è inoltre dotato di una innovativa camera per raccogliere le immagini, che fa uso di nuovi sensori al silicio ed è dotata di un’elettronica di lettura molto veloce in grado di registrare i brevissimi lampi di luce. Inoltre INAF ha sviluppato l’intera catena di archiviazione e analisi dei dati scientifici che, partendo dai segnali elettronici rilevati, permette di arrivare alle immagini astronomiche in raggi gamma.

La tecnica detta “Imaging Atmospheric Cherenkov Technique” (IACT): I raggi gamma di origine cosmica che interagiscono con l’atmosfera terrestre producono cascate di particelle subatomiche. Queste particelle – altamente energetiche – si propagano nell’atmosfera causando un debole e brevissimo lampo di luce bluastra. Le immagini prodotte dalla luce Cherenkov causata dagli sciami di particelle sono rilevate dai telescopi da Terra. Dalla loro analisi, a seconda della forma osservata, si ricavano informazioni astrofisiche sui raggi gamma primari e l’immagine in raggi gamma delle relative sorgenti cosmiche.

Le osservazioni della Nebulosa del Granchio sono state condotte tra il dicembre 2018 e il gennaio 2019, durante la fase di verifica del telescopio Astri-Horn, per un tempo di osservazione totale di circa 29 ore. La camera di rivelazione era tuttavia ancora in fase di verifica e la sua funzionalità non ancora ai massimi livelli. Inoltre, a causa delle recenti eruzioni dell’Etna, l’efficienza della riflessione degli specchi era parzialmente ridotta. Nonostante queste limitazioni, le osservazioni hanno consentito di osservare la Nebulosa del Granchio con un significatività statistica molto alta ad una soglia di energia di circa 3,5 TeV, dimostrando definitivamente l’efficacia dei telescopi a due specchi e aprendo una nuova era per l’astronomia in raggi gamma con tecnica Cherenkov.

«Il risultato ottenuto da Astri-Horn rappresenta un traguardo importante, ottenuto nell’ambito delle tecnologie per l’astronomia in raggi gamma da Terra. Dimostra che la configurazione a doppio specchio proposta originariamente dal grande astrofisico tedesco, Karl Schwarzschild, funziona in modo egregio e apre nuove frontiere osservative nell’ambito dell’astronomia in raggi gamma», afferma Giovanni Pareschi, astronomo dell’Inaf-Milano e Principal Investigator del progetto Astri, che prosegue: «Con i telescopi a due specchi è infatti possibile ottenere un campo visivo molto ampio pur mantenendo una configurazione molto compatta. Ciò permette l’uso di sensori innovativi a pixel piccolo e, in futuro, di osservare i raggi gamma di energia più alta, fino a qualche centinaia di TeV. L’utilizzo scientifico di telescopi a grande campo è di importanza fondamentale per l’astronomia gamma».

Il futuro Osservatorio Cta, coprirà l’intero spettro energetico (da 20 GeV a 300 TeV) osservando tutto il cielo dai due siti in cui sarà dislocato (uno nell’emisfero nord, a La Palma, Isole Canarie ed uno in quello sud, a Cerro Paranal in Cile) utilizzando circa 120 telescopi suddivisi in tre classi: a) i telescopi di classe media (con specchio con diametro di 12 m) copriranno la gamma di energia di base della Cta (da 100 GeV a 10 TeV) mentre i Telescopi di grandi dimensioni (23 m) e quelli di piccole dimensioni (4 m) sono previsti per estendere la gamma di energia inferiore a 20 GeV e superiore a 100 TeV, rispettivamente. Il telescopio Astri-Horn è uno dei tre progetti proposti per la realizzazione dei telescopi di classe 4 metri che sono stati realizzati a livello di prototipo e ora in fase di caratterizzazione e qualifica.

«Cta ha esplorato la tecnologia a doppio specchio sin dall’inizio del progetto e alcuni prototipi sono stati realizzati utilizzando un approccio del genere: l’Astri-Horn e il Gct in Europa per i telescopi di classe piccola e pSct negli Stati Uniti per i telescopi di classe media», afferma Federico Ferrini, direttore dell’Osservatorio internazionale Ctao. «Il risultato ottenuto dal telescopio Astri-Horn è molto incoraggiante e conferma il potenziale di avanzamento tecnologico per l’astronomia Cherenkov».

Il progetto Astri è guidato dall’Istituto Nazionale di Astrofisica con la collaborazione le Università di Padova, Perugia e Roma Tor Vergata e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), e la diretta partecipazione della Universidade de São Paulo (Usp) e Fapesp in Brasile e la North-West University in Sud Africa.

L’Osservatorio Cta (Chrenkov Telescope Array Observatory) è un’iniziativa internazionale che mira alla costruzione dell’osservatorio di raggi gamma ad alta energia più grande e sensibile al mondo con 118 telescopi divisi tra due siti: uno nell’emisfero nord dell’isola di La Palma, in Spagna, e l’altro nell’emisfero sud, vicino a Paranal, in Cile. Oltre 1400 scienziati e ingegneri provenienti da 31 paesi da cinque continenti e oltre 200 istituti di ricerca partecipano al progetto Cta. Cta sarà il principale osservatorio a livello internazionale per l’astronomia a raggi gamma ad altissima energia e sarà reso completamente operativo nel prossimo decennio. Sarà inoltre il primo osservatorio astronomico per raggi gamma da terra aperto alle comunità di fisica astronomica e delle particelle di tutto il mondo.