La relazione Amati è qualche cosa di diverso

Lorenzo Amati, dirigente di ricerca all’Inaf Oas di Bologna

Numero di Avogadro, limite di Chandrasekhar, costante di Planck, legge di Hubble-Lemaître… gli esempi di leggi e fenomeni della fisica che portano il nome dei loro scopritori sono tanti, certo. Ma non è da tutti gli scienziati averne uno intitolato a sé stessi. Lorenzo Amati, astrofisico all’Inaf di Bologna, è uno di questi: una correlazione individuata nel 2002 fra l’energia irradiata e la lunghezza d’onda alla quale si osserva il picco di luminosità dei lampi di raggi gamma (Grb, dall’inglese gamma ray bursts), è infatti universalmente nota come “the Amati relation” – la relazione Amati.

È una relazione che potrebbe dare un contributo decisivo alla soluzione di due fra i dilemmi che più stanno tormentando i cosmologi: la natura (e la possibile evoluzione) della cosiddetta energia oscura e il valore della costante di Hubble. Valore, quest’ultimo,  la cui stima varia – con risultati incompatibili fra loro – a seconda che si misuri la velocità di espansione dell’universo usando “candele standard” come le supernove o modelli e parametri cosmologici come quelli ottenuti grazie satellite Planck. Ebbene, se la sua affidabilità fosse confermata, la relazione Amati permetterebbe di affiancare alle supernove un tipo completamente diverso – e dunque indipendente – di candele standard: i Grb, appunto. E in particolare i long Grb.

Data la sua “giovinezza” – non è ancora nemmeno maggiorenne – non stupisce che la relazione Amati sia ancora al vaglio della comunità scientifica, ma per ora sembra che stia reggendo bene alla prova dei fatti. L’ultima conferma arriva da uno studio guidato da Feraol Fana Dirirsa basato sull’osservazione di 26 gamma ray bursts – compiuto con il telescopio della Nasa Fermi e firmato, fra gli altri, da Francesco Longo dell’Infn e dell’Università di Trieste – pubblicato da poche ore su The Astrophysical Journal. Ne parliamo non con uno degli autori dell’articolo, questa volta, bensì con lo stesso Lorenzo Amati: proprio lui, quello della relazione.

Partiamo dalla relazione che porta il suo nome, la Amati relation: cosa dice?

«Si tratta di una forte correlazione tra l’energia irradiata da un lampo gamma assumendo emissione isotropa (Eiso) e la lunghezza d’onda (espressa in termini di energia fotonica, Ep) alla quale si ha il picco dello spettro. In qualche modo, Ep rappresenta il “colore” del Grb, così come per una stella questo è legato alla sua temperatura superficiale. La correlazione ci dice che Ep è proporzionale a circa la radice quadrata di Eiso, ed è la meno dispersa tra quelle che legano l’energia irradiata, o la luminosità, dei Grb alle loro proprietà spettrali o temporali. Per questo, essa costituisce uno strumento fondamentale per la comprensione dei meccanismi fisici alla base dell’emissione dei Grb e delle proprietà geometriche dei jet ultra-relativistici che li emettono».

Cosa ha a che fare tutto ciò con la stima della costante di Hubble?

«Legando una quantità misurabile direttamente, Ep, con una quantità il cui valore apparente dipende dalla geometria ed espansione dell’universo, questa correlazione è il metodo più investigato per la “trasformazione” dei Grb in “candele standard” – e dunque per il loro utilizzo per lo studio dei parametri cosmologici, in modo simile a quanto avviene per le supernove di tipo Ia. Infatti su questa linea di ricerca collaboriamo strettamente con Massimo Della Valle, esperto di supernove e già coinvolto nei lavori da premio Nobel che hanno portato alla scoperta dell’espansione accelerata dell’universo alla fine degli anni ‘90».

In questi anni, per la relazione Amati sono arrivate solo conferme o anche dati che la mettono in discussione?

«Dopo la scoperta da parte di un gruppo di lavoro guidato dal sottoscritto e con l’importante contributo di Filippo Frontera e Marco Tavani, avvenuta nel 2002 basandosi sui dati di del satellite BeppoSax, la correlazione è stata confermata – ed estesa anche ai Grb più deboli e spettralmente “soffici” – dalle misure dei satelliti Hete-2, prima, e poi Konus-Wind, Swift e Fermi/Gbm. Le pubblicazioni scientifiche che citano il lavoro del 2002 sono quasi 900, e diverse centinaia quelle che citano i nostri lavori successivi sulla caratterizzazione e utilizzo della correlazione. Questo dimostra la grande credibilità e rilevanza di questa evidenza osservativa presso la comunità scientifica. Tuttavia, esistono alcuni lavori che, giustamente, si focalizzano sui possibili effetti di selezione legati alle sensibilità limitate dagli strumenti e altri tipi di bias, che vanno sempre considerati nell’utilizzo di sorgenti astrofisiche per la cosmologia».

Per esempio?

«Una decina di anni fa si accese un piccolo, ma acceso, dibattito sulla rilevanza di questi effetti per la correlazione Ep-Eiso, visto in particolare visto il crescente interesse per un suo utilizzo per la cosmologia. Numerosi lavori, tra i quali quelli di Giancarlo Ghirlanda, Gabriele Ghisellini, Lara Nava e collaboratori (peraltro, proponenti l’utilizzo di questo tipo di correlazione per la cosmologia già nel 2004) dimostrano però la marginalità di questi effetti, e dunque la solidità della correlazione. Infine, vi sono alcuni Grb con proprietà molto peculiari che sembrano non seguire la correlazione (i cosiddetti “outliers”). Tuttavia, esistono diverse spiegazioni per questi comportamenti: per esempio, effetti di linea di vista, particolari evoluzioni spettrali legate a effetti strumentali che “remano contro” la correlazione, Grb di diversa natura. Anzi, da questo punto di vista, il piano Ep-Eiso può essere considerato come uno strumento per identificare e comprendere diverse sotto-classi di Grb – ad esempio, quelli sub-luminosi».

E adesso questi 26 Grb osservati da Fermi: tutti ubbidienti alla sua legge o c’è qualche ribelle?

«I Grb lunghi di questo campione di lampi gamma con redshift noto e rivelati anche dallo strumento di altissima energia di Fermi (il Lat, che opera fino a qualche centinaia di GeV ) sono tutti pienamente consistenti con la correlazione. Come già dimostrato da numerose misure precedenti, i Grb corti, invece, non la seguono. E quest’ultimo aspetto rinforza il concetto espresso poco sopra, ovvero l’utilità del piano Ep-Eiso per identificare e distinguere Grb di classi diverse. Addirittura, esiste un lavoro di qualche anno fa, pubblicato su Mnras da un gruppo di ricerca cinese, che va oltre la classificazione dei Grb in lunghi e corti: basandosi sulla consistenza o meno con la correlazione, propone di classificarli in Grb “Amati” e “non-Amati”. Il che, per noi italiani, suona ovviamente abbastanza buffo!».

Cosa aggiunge di nuovo, quest’ultima osservazione compiuta con Fermi, a quelle precedenti?

«Le misure sensibili dello spettro dell’emissione “prompt” dei Grb, ovvero il lampo gamma vero e proprio, dalla quale si ricavano sia Eiso che Ep, vengono tipicamente effettuate da una decina di keV a 1-2 MeV al massimo. Per esempio, il Grb monitor a bordo di Swift è limitato a 15-150 keV, e il Grb monitor di Fermi (Gbm) – pur arrivando nominalmente fino a 30 MeV – per eventi medi è molto poco sensibile sopra 1 MeV. Questi limiti di banda energetica e sensibilità sono tra gli effetti principali che possono condizionare le caratteristiche, e la solidità stessa, della correlazione Ep – Eiso. Le misure dello strumento Lat di Fermi permettono di estendere fino ad oltre il GeV la caratterizzazione dello spettro dei Grb, fornendo quindi misure molto più accurate e solide sia di Ep che di Eiso, riducendo così in modo importante  gli effetti strumentali e di selezione. Dunque, siamo di fronte a un ulteriore passo in avanti nella validità della correlazione e del suo utilizzo per la fisica dei Grb ed il loro utilizzo cosmologico».

Diciott’anni sono pochi, ma nemmeno pochissimi. Perché i Grb ancora non sono utilizzati in modo sistematico per il calcolo della costante di Hubble, come consentirebbe di fare la correlazione che porta il suo nome?  

«Come detto sopra, nonostante la grande mole di lavori scientifici che utilizza la correlazione per la comprensione della fisica dei Grb, lo studio della geometria e struttura del jet che li emette, l’identificazione e comprensione di diverse classi di Grb, la cosmologia e i numerosi lavori che ne sostengono la solidità, per sdoganare del tutto l’utilizzo della correlazione per la misura di parametri cosmologici fondamentali occorre dissipare ogni ombra di dubbio sugli effetti strumentali e bias discussi in precedenza. E fare ulteriori passi in avanti nella calibrazione della correlazione stessa, resa difficile dal fatto che, a differenza delle supernove Ia, i Grb sono tutti a distanze “cosmologiche”. In quest’ottica, saranno molto importanti le misure della missione Svom (Cina e Francia), satellite dedicato ai Grb che dovrebbe essere lanciato nel 2022 e supererà parte dei limiti dell’attuale strumentazione, e, più in prospettiva, di Theseus, concetto di missione coordinato dall’Italia e attualmente in fase di studio da parte di Esa per un possibile lancio intorno al 2030,  che fornirà precisissime misure spettrali e stime del redshift per numerose centinaia di Grb».

Ma cosa si prova a sapere che c’è una potenziale legge di natura che porta il proprio nome?

«La correlazione Ep – Eiso fu chiamata per la prima volta “Amati relation” da Don Lamb – noto esperto mondiale di Grb, allora all’Università di Chicago – nel 2003, durante un congresso celebrativo di BeppoSax ad Amsterdam. Io partecipavo al congresso, ma durante l’intervento di Lamb, l’ultimo prima della fine della sessione, ero intento a discutere con un collega e non mi accorsi di nulla! All’uscita, i mei colleghi e amici cominciarono a complimentarsi, anche scherzosamente, per questa improvvisa popolarità, e da lì in poi è stata una specie di sorprendente, piacevole (e anche un po’ imbarazzante) valanga… Per diversi anni sono stato il più citato nei congressi sui Grb, e il mio cognome compare nel titolo di almeno 30 articoli scientifici e nell’abstract di oltre 200 articoli. Inoltre, mi ha sicuramente gratificato vedermi citato in contesti quali un articolo sul New York Times o un editoriale su Nature. Tra le perle un po’ buffe, oltre alla sopracitata classificazione dei Grb in “Amati” e “non-Amati” da parte di un gruppo cinese, menzionerei un mio ex-professore di dottorato di ricerca a Roma, nonché uno dei maggiori esperti di astronomia X. Che durante un pranzo con diversi colleghi raccontò la sua sorpresa nel leggere della “Amati relation” su Nature e concluse con: “Amati, lei è andato oltre ogni mia più rosea aspettativa!”. Per inciso,  si dice che qualcosa di simile sia successo anche ad Albert Einstein, quando un suo ex-professore commentò in modo analogo  la pubblicazione e il successo degli articoli sulla relatività. Ma non vorrei sembrare immodesto…».


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Magic apre una nuova era nell’astronomia gamma

Rappresentazione artistica di un’esplosione cosmica che origina un lampo di raggi gamma sovrapposta allo scorcio di uno dei due telescopi gemelli Magic. Crediti: Gabriel Pérez Díaz, Iac

Grazie a un lavoro di squadra perfetto, che ha coinvolto telescopi spaziali e sulla Terra nonché centinaia di ricercatori in tutto il mondo, è stato possibile registrare, per la prima volta in assoluto, fotoni di altissima energia emessi da un lampo di raggi gamma (Grb) – il risultato di una potentissima esplosione cosmica –registrato il 14 gennaio 2019. A captare questi fotoni, che hanno raggiunto energie dell’ordine del teraelettronvolt, ovvero migliaia di miliardi di volte più elevate di quelli della luce visibile, sono stati i telescopi gemelli Magic sulle isole Canarie. Fondamentale per la scoperta – della quale avevamo dato un’anticipazione a caldo proprio qui su Media Inaf – è stato il contributo scientifico italiano, con l’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), l’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), l’Agenzia spaziale italiana (Asi) e varie università. I risultati vengono pubblicati oggi in due articoli sulla rivista Nature.

Storia breve di Grb 190114C

Il 14 gennaio scorso, come dicevamo, un Grb è stato scoperto in modo indipendente dai telescopi a bordo di due satelliti: il Neil Gehrels Swift Observatory e il Fermi Gamma-ray Space Telescope. «L’evento mostrava una forte emissione sia nei raggi X che in ottico, e questo ci suggeriva si trattasse di un Grb esploso abbastanza vicino e sicuramente interessante», dice Valerio D’Elia dello Space science data center dell’Asi. «L’evento osservato», ricorda Francesco Longo, dell’Università e dell’Infn di Trieste, «è stato chiamato Grb 190114C e le sue coordinate, che ne identificavano la posizione in cielo tra le costellazioni dell’Eridano e della Fornace, sono state distribuite via internet agli astronomi di tutto il mondo in 22 secondi dal rilevamento dell’esplosione».

A ricevere l’allerta c’erano i telescopi a terra – come il telescopio robotico dell’Inaf Rem, situato in Cile, che ha colto l’emissione ottica – e gli scienziati della collaborazione internazionale Magic, che gestisce due telescopi a luce Cherenkov, ognuno con specchio del diametro di 17 m, situati sull’isola di La Palma, alle Canarie (Spagna). I telescopi Magic sono stati concepiti per rispondere rapidamente alle allerte Grb, e inoltre hanno una strategia di follow-up dedicata. «Un sistema automatico elabora in tempo reale le allerte Grb dai satelliti e fa in modo che i telescopi Magic puntino rapidamente la posizione del Grb in cielo», spiega Antonio Stamerra dell’Inaf di Roma, co-portavoce della collaborazione Magic. «I telescopi sono stati progettati per puntare rapidamente, nonostante il peso di 64 tonnellate ciascuno, qualsiasi regione di cielo e possono farlo in poche decine di secondi. Nel caso del Grb 190114C, Magic è stato in grado di iniziare l’osservazione circa 30 secondi dopo l’arrivo dell’allerta Grb da parte dei satelliti, cioè circa 50 secondi dopo la rivelazione del fenomeno».

Dopo il puntamento in direzione del Grb 190114C, i telescopi Magic hanno captato per la prima volta i fotoni di più alta energia mai misurati per questo tipo di eventi celesti. Un risultato senza precedenti, che fornisce nuove informazioni fondamentali per la comprensione dei processi fisici in atto nei Grb. I fotoni rivelati da MAGIC devono infatti avere origine da un processo finora non legato alla radiazione prodotta negli afterglow dei Grb (un’emissione di luce osservabile a tutte le lunghezze d’onda che si affievolisce nel tempo) e che è distinto dal processo fisico responsabile della emissione dei Grb stessi alle energie più basse.

«L’analisi dei dati risultanti per le prime decine di secondi di osservazione rivela l’emissione di fotoni che raggiungono le energie del teraelettronvolt (TeV), cioè un trilione di volte più energetici della luce visibile», dice Alessio Berti dell’Infn di Torino. «Durante questo lasso di tempo, l’emissione di fotoni TeV dal Grb 190114C è stata cento volte più intensa della sorgente celeste più brillante conosciuta a queste energie: la Nebulosa del Granchio. Tra i vari record registrati dal Grb 190114C c’è dunque anche quello di essere la sorgente più brillante di fotoni conosciuta a queste energie». Sebbene l’emissione fino alle energie del TeV nei Grb fosse stata prevista in alcuni studi teorici, essa era rimasta finora inosservata nonostante le numerose ricerche svolte negli ultimi decenni con vari strumenti che lavorano a queste energie, tra cui Magic.

Le tante facce di una potentissima esplosione

I fotoni di altissima energia sono stati osservati da Magic fino a mezz’ora dopo l’esplosione del Grb per cui, grazie sia all’intensità del segnale ricevuto che alla procedura di analisi dei dati in tempo reale disponibile all’osservatorio, è stato possibile comunicare entro poche ore dall’osservazione alla comunità astronomica internazionale la scoperta del primo inequivocabile rilevamento di fotoni di altissima energia da un Grb. Questa comunicazione ha messo in evidenza l’importanza di questo evento astronomico e ha dato luogo a una vasta campagna di osservazioni di follow-up a tutte le lunghezze d’onda del Grb 190114C da parte di oltre due dozzine di osservatori o strumenti dalla banda radio alle energie TeV. In particolare, le osservazioni ottiche hanno consentito una misurazione della distanza dal Grb 190114C di circa 7 miliardi di anni luce.

Grb 190114C visto da terra e dallo spazio. Gabriel Pérez Díaz, Iac

«L’osservazione alle varie lunghezze d’onda, che coprono tutto lo spettro elettromagnetico dal radio ai raggi gamma, è di fondamentale importanza perché i fotoni che arrivano a noi con energie diverse spesso sono emessi da regioni diverse e trasportano informazioni differenti», spiega Marco Tavani dell’Inaf di Roma, responsabile della missione per astronomia gamma Agile, che ha osservato l’evento nell’istante dello scoppio e in quelli immediatamente successivi. «In particolare, poter osservare il fenomeno alle energie più alte è da sempre stato un obiettivo della ricerca in questo settore in quanto i fotoni di più alta energia ci portano informazioni dalle regioni più vicine all’origine del fenomeno».

Tutte le osservazioni effettuate – tra cui quelle degli astronomi dell’Inaf, che con vari telescopi ottici sparsi in giro per il mondo hanno seguito per giorni il fenomeno – offrono una panoramica multifrequenza molto completa per questo evento e forniscono le prove inequivocabili che l’emissione di alta energia osservata da Magic è originata da un ulteriore, distinto processo di emissione nell’afterglow finora mai osservato. «Dalla nostra analisi, il candidato favorito per spiegare l’emissione di altissima energia è il cosiddetto processo di Compton inverso, in cui i fotoni ricevono l’energia osservata da una popolazione di elettroni di energia ancora più alta che sono stati accelerati dall’esplosione», dice Lara Nava dell’Inaf Milano. «Viceversa i fotoni di più bassa energia che si osservano negli afterglow sono originati dal cosiddetto processo di sincrotrone in cui i fotoni osservati sono invece generati dall’interazione tra elettroni e campi magnetici».

Dopo oltre 50 anni dalla prima scoperta dei Grb, molti aspetti di questo fenomeno rimangono ancora misteriosi. Tuttavia, uno studio comparativo di tutte le precedenti osservazioni Grb di Magic suggerisce che Grb 190114C non è stato un evento particolarmente singolare, se non per la sua relativa vicinanza, e che il successo dell’osservazione si deve alle eccellenti prestazioni dello strumento. «Magic ha aperto una nuova finestra per studiare i Grb», osserva Lucio Angelo Antonelli dell’Inaf di Roma, responsabile Inaf presso la collaborazione Magic. «I nostri risultati indicano che siamo sicuramente in grado di rilevare molti più Grb alle energie TeV sia con Magic che con gli strumenti Cherenkov di nuova generazione».


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Guarda su MediaInaf Tv la versione italiana del video del MAGIC outreach team:

 

AstroLuca sei ore nel vuoto per l’antimateria

Luca Parmitano durante l’Eva del 9 luglio 2013. Crediti: Nasa

La prossima attività extra-veicolare di Luca Parmitano, in programma venerdì 15 novembre a partire dalle 13.05 ora italiana, sarà una fra le più difficili operazioni nel vuoto cosmico dai tempi delle riparazioni sul telescopio spaziale Hubble.

Questa sarà solo l’inizio di una serie di complesse “passeggiate spaziali” per la manutenzione dello strumento Alpha Magnetic Spectrometer (Ams-02), un rilevatore di particelle di antimateria e di materia oscura situato in cima alla struttura a traliccio S3 della Stazione spaziale internazionale, tra una coppia di pannelli solari e radiatori. La Nasa considera queste uscite, chiamate tecnicamente Eva (da Extra-Vehicular Activity), particolarmente impegnative, in quanto Ams-02 non era stato inizialmente progettato per operazioni straordinarie di mantenimento. Sarà per Parmitano, attualmente comandante della Stazione spaziale, la terza Eva dopo quelle effettuate nel 2013 nel corso della missione “Volare” dell’Agenzia spaziale italiana. La sua seconda uscita fu caratterizzata da un pericoloso incidente che concluse l’uscita poco dopo il suo avvio.

L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) è un rilevatore di particelle operante come modulo esterno della Stazione spaziale. Si tratta di un laboratorio orbitante per la fisica delle particelle, sviluppato dall’Asi e dall’Infn, il cui scopo è quello di studiare con precisione la composizione e l’abbondanza dei raggi cosmici nello spazio in cerca di tracce di antimateria primordiale e materia oscura ad energie estreme fino a qualche TeV (“tera-elettronvolt”). La maggior parte dei raggi cosmici, circa il 99 per cento, è formato da materia “ordinaria” quali protoni e nuclei elio. Lo strumento AMms-02 è stato progettato per misurare con precisione la rarissima componente di antimateria nei raggi cosmici, come positroni ed anti-protoni, e scovare particelle di antimateria pesante, come nuclei di anti-elio. L’Asi contribuisce alle attività di operazione dello strumento e di analisi dati con la partecipazione di ricercatori presso l’Unità di ricerca scientifica (Asi-Urs) e lo Space Science Data Center (Asi-Ssdc).

Go West: Inaf a Washington

Dal 03.12.2018 al 05.12.2018

Da sinistra: Mauro Messerotti, Giovanni Pareschi, Fabrizio Capaccioni, Corrado Perna, Adriano Fontana, Giusi Micela, Luca Valenziano, Federica Bianco e Filippo Zerbi

Washington, 3 Dicembre 2018, Ambasciata d’Italia: iniziano i lavori della Joint Commission for Scientific and Technical Collaboration fra Italia e Stati Uniti. È il 30esimo anniversario, una data importante. L’Inaf c’è.

Circa duecento scienziati dei due paesi, rappresentanti degli enti e delle agenzie, discutono tematiche scientifiche di interesse comune da sviluppare nei prossimi tre anni in molte discipline: fisica e astrofisica ma anche salute, dati e tecnologie dell’informazione, gestione delle calamità naturali e tempo meteorologico spaziale (space weather, in inglese) – che si occupa di fenomeni legati a plasma, campi magnetici, radiazioni e altre perturbazioni nello spazio e effetti sul nostro pianeta.

Da parte statunitense erano presenti attori importanti della politica scientifica nazionale per la fisica e l’astronomia: il Department of Energy, la National Science Foundation, il Dipartimento di Stato, il Goddard Space Flight Center, il Jet Propulsion Laboratory, la Noaa, lo Space Weather Prediction Center della Noaa, la Nasa e la Fema. Per l’Italia, la rappresentanza scientifica era assicurata nella sessione di fisica e astrofisica da Inaf e Infn.

La delegazione Inaf – formata dal direttore scientifico Filippo Maria Zerbi, Fabrizio Capaccioni, Adriano Fontana, Giusi Micela, Mauro Messerotti, Giovanni Pareschi, Corrado Perna e chi vi scrive – ha presentato alcune delle tematiche su cui sono attive importanti collaborazioni bilaterali: lo studio di esopianeti da terra e dallo spazio, progetti di esplorazione del Sistema solare e dei suoi corpi minori, le attività relative al Large Binocular Telescope in Arizona, le attività relative agli sviluppi del Cherenkov Telescope Array Observatory, il follow up elettromagnetico delle onde gravitazionali, gli studi collegati ai fenomeni di space weather.

Importanti anche gli interventi dei colleghi statunitensi sulle collaborazioni in atto. Martin Weisskopf ha presentato le missioni spaziali di alte energie, in particolare Ixpe, che vanta un’importante partecipazione italiana finanziata dall’Asi, in collaborazione tra Inaf e Infn, e la proposta Strobe-X. Federica Bianco ha introdotto il Large Synoptic Survey Telescope, in costruzione in Cile, e Antonella Nota dell’Esa sui risultati del telescopio spaziale Hubble e le prospettive per il James Webb Space Telescope. Da sottolineare anche le discussioni sulle possibili collaborazioni in campo tecnologico con il Jet Propulsion Laboratory, per il quale ha partecipato Todd Gaier, chief technologist.

Tre giorni di incontri e discussioni intense, che hanno mostrato l’importanza e l’ampiezza delle ricerche svolte da Inaf e il ruolo dei suoi ricercatori e tecnologi all’interno di esperimenti di rilevanza mondiale. L’interesse suscitato nei rappresentanti delle agenzie Usa si svilupperà in ulteriori contatti, per permettere nuove opportunità di collaborazione per l’Inaf su progetti bilaterali Italia – Usa, che si attueranno sia mediante la mobilità di ricercatori e studenti sia tramite lo scambio di tecnologie in ambiti di interesse comune.

Questa iniziativa avrà un seguito importante già nel prossimo futuro: sono stati pianificati ulteriori colloqui con le agenzie americane che potranno dar vita a nuove opportunità di collaborazione. Una sfida che l’Inaf ha mostrato di saper affrontare e che certamente i suoi ricercatori e tecnologi sapranno cogliere.

Fermi, ecco la luce di tutte le stelle

Il telescopio spaziale Fermi per la rilevazione dei raggi gamma

4000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000, ovvero 1 seguito da 84 zeri. Questo numero letteralmente “astronomico”, che rappresenta la somma di tutti i fotoni emessi finora dalle stelle nell’universo fin quasi dall’inizio della sua storia, è stato stimato per la prima volta da un team internazionale di scienziati grazie ai dati raccolti in oltre 9 anni dal Large Area Telescope di Fermi, missione spaziale della Nasa, con una fondamentale partecipazione italiana grazie ai contributi dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) e dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf). Lo studio è stato pubblicato sull’ultimo numero della rivista Science ed è basato sull’analisi dell’emissione di raggi gamma di un esteso campione di galassie attive distanti, che ha permesso di stimare il tasso di formazione delle stelle e fornire un riferimento per le future missioni che esploreranno gli albori dell’evoluzione stellare.

La luce emessa da tutte le galassie nel corso della storia dell’Universo produce quella che è nota come luce extragalattica di fondo (Ebl, extragalactic background light) alle lunghezze d’onda ultravioletta, ottica e infrarossa. Questa luce di fondo rappresenta una fonte di “opacità” per i raggi gamma, e lascia un’impronta negli spettri delle sorgenti gamma distanti. I ricercatori hanno misurato questa attenuazione utilizzando come riferimento 739 galassie attive e un lampo gamma veloce rilevato dal Fermi Large Area Telescope. Ciò ha permesso di ricostruire l’evoluzione della luce extragalattica di fondo e di determinare la storia della formazione stellare dell’universo per oltre il 90 per cento della sua evoluzione.

«Grazie ai dati raccolti dal telescopio Fermi, siamo stati in grado di misurare l’intera quantità di luce stellare mai emessa», dice Marco Ajello della Clemson University, primo autore dello studio. «Le stelle creano la maggior parte della luce che vediamo e sintetizzano la maggior parte degli elementi pesanti dell’universo, come il silicio e il ferro. Capire l’universo in cui viviamo dipende in gran parte dalla nostra comprensione di come si sono evolute le stelle».

Uno degli obiettivi principali della missione Fermi, che quest’anno ha celebrato il suo decimo anniversario, è stato quello di fare una stima della luce di fondo extragalattica, una sorta di “nebbia” cosmica composta da luce ultravioletta, visibile e infrarossa che le stelle hanno creato nel corso della storia dell’universo. Infatti, poiché la luce stellare continua a viaggiare attraverso il cosmo molto tempo dopo che le sue sorgenti sono esaurite, misurare la Ebl permette agli astronomi di studiare la formazione e l’evoluzione stellare in modo indipendente dallo studio dalle indagini sulle stelle stesse.

Costruita sulla base di nove anni di osservazioni del Large Area Telescope di Fermi, questa mappa mostra come il cielo a raggi gamma appare a energie superiori a 10 miliardi di elettronvolt. Il piano della nostra galassia, la Via Lattea, corre lungo il centro della trama. Colori più brillanti indicano sorgenti di raggi gamma più brillanti.
Crediti: Nasa/Doe/Fermi Lat Collaboration

«In generale, sfruttiamo la radiazione gamma rivelata dai nostri osservatori in orbita per studiare gli oggetti celesti. In questo caso, invece, quantifichiamo l’assenza di radiazione gamma per censire la luce che pervade l’universo», spiega Patrizia Caraveo, responsabile per l’Inaf dello sfruttamento scientifico dei dati Fermi-Lat. «È affascinante vedere cosa si può ricavare dall’evidenza di una assenza. Esaminando, galassia per galassia, il deficit nell’emissione gamma che noi abbiamo misurata rispetto a quella che pensiamo esse abbiano prodotto, possiamo stimare la quantità di fotoni killer che sono stati prodotti da tutte le stelle che hanno brillato in qualche epoca nel nostro universo. Un risultato veramente “universale”, che bene si presta a festeggiare i 10 anni di vita orbitale della missione Fermi».

Identificare con un numero la quantità di luce stellare mai prodotta è davvero arduo, viste le tante variabili in gioco, ma lo studio stima che il numero di fotoni emessi fino ad ora dalle stelle del nostro Universo ammonti all’incredibile cifra di 4×1084, appunto quel 4 seguito da una sfilza di 84 zeri.

Questa mappa dell’intero cielo mostra la posizione dei 739 blazar utilizzati dal telescopio spaziale Fermi per la misurazione della luce di fondo extragalattica. Lo sfondo mostra il cielo così come appare in banda gamma con energie superiori a 10 miliardi di elettronvolt, l’immagine è stata costruita a partire dai dati raccolti in nove anni di osservazioni del Large Area Telescope di Fermi.
Crediti: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Ajello e il suo team hanno analizzato quasi nove anni di dati disponibili per i segnali gamma di 739 blazar, galassie contenenti buchi neri supermassicci in grado di rilasciare getti di particelle energetiche attraverso il cosmo a una velocità vicina a quella della luce. Quando uno di questi getti è puntato direttamente sulla Terra, è rilevabile anche se molto distante. I fotoni dei raggi gamma prodotti all’interno dei getti si scontrano con la “nebbia” cosmica, lasciando un’impronta osservabile. Questo ha permesso di misurare la densità della nebbia non solo in un dato luogo ma anche in un dato momento della storia dell’universo. «La luce gamma che viaggia attraverso la nebbia provocata dall’Ebl ha una grande probabilità di essere assorbita», dice Ajello. «Misurando quanti fotoni sono stati assorbiti, siamo stati in grado di misurare lo spessore della nebbia e anche, come funzione del tempo, quanta luce c’era nell’intera gamma di lunghezze d’onda».

La misura quintuplica il numero di blazar rispetto a quelli utilizzati in una precedente analisi sulla luce extragalattica di fondo fatta con Fermi e pubblicata nel 2012, e include nuovi calcoli su come l’Ebl si costruisce nel tempo, rivelando che il picco di formazione delle stelle risalirebbe a circa 10 miliardi di anni fa.

La nuova misurazione della EBbl fornisce inoltre un’importante conferma delle precedenti stime di formazione stellare provenienti da altre missioni, come Hubble, che però non riescono a misurare stelle e galassie più deboli e non possono tener conto della formazione stellare che avviene nello spazio intergalattico. «Questa è una conferma indipendente delle precedenti misurazioni dei tassi di formazione stellare», conclude David Thompson, deputy project scientist di Fermi presso il Goddard Space Flight Center della Nasa, a Greenbelt. «In astronomia, quando due metodi completamente indipendenti danno la stessa risposta, di solito significa che stiamo facendo qualcosa di giusto. In questo caso stiamo misurando la formazione stellare senza guardare le stelle, ma osservando i raggi gamma che hanno attraversato il cosmo».

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Ecco tutti i sapori del neutrino solare

Lo strumento Borexino sotto il Gran Sasso rileva i neutrini che interagiscono con gli elettroni di uno scintillatore liquido organico purissimo al centro di una grande sfera, circondato da mille tonnellate di acqua. Crediti: Borexino/Infn

Dopo oltre dieci anni dall’inizio della sua attività scientifica, grazie alla quale siamo riusciti a guardare all’interno del Sole, arrivando a comprendere, con un dettaglio mai raggiunto prima, come funzionino i meccanismi di alimentazione della nostra stella, la collaborazione dell’esperimento Borexino, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, pubblica su Nature del 25 ottobre il compendio dei suoi risultati sui neutrini solari.

Con questa pubblicazione, Borexino corona una lunga storia di misure e di indagini sperimentali, che lo hanno condotto da una parte a investigare nel dettaglio il meccanismo di produzione di energia nel Sole, e dall’altra a studiare nella regione di bassa energia (da pochi MeV fino a meno di 1 MeV) il cosiddetto fenomeno dell’oscillazione dei neutrini, cioè la trasformazione dei neutrini da un tipo (sapore) in un altro.

«I risultati pubblicati oggi – commenta Gianpaolo Bellini, della sezione Infn di Milano e professore emerito dell’Università Statale di Milano, tra i padri dell’esperimento – sono l’apice di una storia trentennale iniziata sul finire degli anni ’80, quando l’esperimento fu concepito nel quadro del dibattito scientifico innescato dall’allora insoluto problema del neutrino solare. I risultati ottenuti sono andati ben al di là anche delle più ottimistiche previsioni iniziali».

Immerso nel silenzio cosmico dei laboratori sotterranei del Gran Sasso, uno dei luoghi a più bassa radioattività del mondo, sin dal momento della sua accensione, nel maggio 2007, Borexino ha dimostrato di possedere un livello di radiopurezza talmente spinto da farne un unicum assoluto nell’ambito dei pur numerosi esperimenti a basso fondo. Questa sua peculiarità è la base dei molteplici risultati accumulati in più di un decennio di operatività, che vanno molto oltre gli obiettivi fissati inizialmente, quando l’esperimento fu ideato.

Infatti, progettato per la misura del solo flusso di neutrini da 7Be (berillio 7) tra quelli prodotti lungo la catena protone-protone (pp, cioè la sequenza di reazioni nucleari nel nucleo solare avviata dalla fusione di due protoni), Borexino ha via via ampliato la sua sensibilità sperimentale, sino a coprire l’intera gamma di neutrini di tutta la catena.

Le caratteristiche uniche delle misure effettuate da Borexino, ossia la rivelazione spettroscopica in tempo reale e a bassa soglia del flusso di neutrini dal Sole, sono tutte riportate nella pubblicazione di Nature, con in più una novità: in quest’ultimo novero di risultati, i diversi flussi di neutrini sono stati misurati simultaneamente, e non separatamente come accaduto per le precedenti analisi, e con precisioni decisamente maggiori.

La misura precisa e contestuale in un unico esperimento dei flussi dei neutrini pp (7Be, pep e 8B – boro 8), nonché il limite sul minuscolo flusso dei neutrini di più alta energia (hep), ovvero dell’intera serie della catena pp, consente a Borexino di dipingere con assoluta nettezza sul versante sperimentale il quadro del funzionamento della nostra stella, mettendo un punto fermo alla secolare domanda sul meccanismo che la fa risplendere per i miliardi di anni della sua vita.

Allo stesso tempo, tramite il confronto di questi dati sperimentali di elevatissima accuratezza con le previsioni del modello standard solare, Borexino dimostra incontrovertibilmente l’esistenza nella regione di bassa energia dell’oscillazione tra neutrini di diverso sapore tramite l’effetto Msw (Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein). In particolare, Borexino evidenzia in maniera del tutto autonoma, utilizzando solo i propri dati e senza dover ricorrere a risultati di altri esperimenti, la peculiare transizione tra i due regimi di ‘vuoto’ e di ‘materia’ che rappresenta la firma dell’effetto Msw.

«Con la misura simultanea e ad alta precisione dei flussi di neutrini solari dalla catena pp in un medesimo rivelatore – spiega Gioacchino Ranucci, ricercatore Infn, co-spokesperson dell’esperimento – Borexino è l’unico apparato che da solo riesce contemporaneamente a gettare piena luce su che cosa alimenta il motore del Sole, e quindi delle stelle, e sul fenomeno di oscillazione dei neutrini».

«Con le misure di Borexino – sottolinea Marco Pallavicini, ricercatore Infn e professore all’Università di Genova, co-spokesperson di Borexino – l’ipotesi di funzionamento del Sole tramite le reazioni nucleari della catena pp avanzata negli anni ’30 trova la sua definitiva consacrazione sperimentale».

Borexino, frutto dell’intensa cooperazione fra Italia, Germania, Francia, Polonia, Stati Uniti e Russia, è un esperimento realizzato con tecniche d’avanguardia di assoluta e ineguagliata eccellenza internazionalmente riconosciute, specialmente nel campo della radiopurezza dei materiali e del basso fondo. Ora che Borexino si avvia verso la conclusione del suo straordinario percorso, con alle spalle oltre un decennio di attività e di misure di grandissimo rilievo scientifico, l’esperienza che ne deriva rappresenta una risorsa di conoscenze e competenze per futuri progetti sperimentali.

Oscura, ma necessaria

«Comprendere perché l’espansione dell’universo stia oggi accelerando è probabilmente la domanda più affascinante della cosmologia moderna». Ad affermarlo è Luigi Guzzo, professore ordinario di cosmologia dell’Università Statale di Milano (e ricercatore associato dell’Inaf e Infn) e co-autore di un articolo che esce oggi sulla rivista Nature Astronomy. La ricerca va a testare le due possibili origini dell’accelerazione:  nello scenario standard questa richiede l’aggiunta della cosiddetta energia oscura nelle equazioni di Einstein, ma in una visione più ampia potrebbe indicare una possibile incompletezza della teoria della Relatività Generale, più precisamente di un “difetto” nella sua applicazione su scala cosmologica.

Luigi Guzzo

Usando un approccio innovativo che ha utilizzato dati sperimentali e simulazioni numeriche, ricercatori dell’Università degli Studi di Milano e della Durham University (Uk) hanno dimostrato che una modifica anche piccola delle equazioni della Relatività Generale porterebbe ad un universo in cui le galassie si ammassano e si muovono in modo molto diverso dall’Universo reale.  Lo studio rende poco plausibile l’ipotesi che l’accelerazione dell’espansione dell’Universo scoperta nel 1998 sia dovuta ad un’incompletezza della teoria di Einstein. Questo ribadisce nel contempo la presenza della misteriosa energia oscura, necessaria a “spingere” l’universo.

La teoria della Relatività Generale, formulata da Einstein nel 1915, ha finora superato brillantemente ogni test sperimentale cui è stata sottoposta. Ultimo di questi la recente e spettacolare rivelazione delle onde gravitazionali.  In questo contesto, in cui la teoria della gravità è universalmente accettata, la scoperta che la velocità di espansione dell’universo è maggiore oggi che 7 miliardi di anni fa (che ha fruttato il Premio Nobel per la Fisica 2011) richiede necessariamente la presenza di un ingrediente extra nella “mistura cosmica” che regola il modo in cui l’universo evolve. È questa la cosiddetta costante cosmologica, un contributo di energia “oscura” che produrrebbe un effetto repulsivo in grado di sovrastare il “frenamento” della forza di gravità prodotta dalla materia contenuta nell’Universo stesso.

L’apparente accelerazione potrebbe tuttavia segnalare qualcosa di completamente diverso, e più profondo, ovvero che qualcosa non funzioni più quando la teoria viene applicata a scale molto grandi.  Se fosse così, potrebbe non esserci bisogno dell’energia oscura.

In un certo senso staremmo cercando di far indossare all’Universo un vestito troppo stretto: in questa analogia, per riuscire a indossarlo saremmo costretti a stiracchiarlo innaturalmente, e lui cercherebbe di tornare alla sua misura, producendo l’accelerazione. Come capire quindi se dobbiamo buttare via il vestito e comprarne uno nuovo o accettare di indossarlo così com’è, ma completandone la trama con l’energia oscura?

Un modo c’è, e venne evidenziato nel 2008 proprio in un altro articolo su Nature: se modifichiamo le leggi della gravità, cambiamo anche il modo in cui le strutture si aggregano all’interno dell’Universo sotto il suo effetto. Le galassie si muovono seguendo questa crescita gravitazionale, attirate verso le regioni più massicce con una velocità che sappiamo dipendere direttamente dalla teoria della gravità. «Nel nostro lavoro del 2008 (n.d.r. Nature 451, 541) mostrammo che l’effetto di queste velocità sulle mappe tridimensionali di galassie poteva potenzialmente rivelare variazioni della gravità a grandi scale”, continua Guzzo.

«In questo lavoro abbiamo utilizzato la più grande mappa di questo tipo, la Sloan Digital Sky Survey (Sdss), che contiene inoltre informazioni dettagliate sulle proprietà delle singole galassie, come, in particolare, la loro massa totale in stelle», dice il primo autore dell’articolo, Jianhua He, dell’Università di Durham, per quattro anni assegnista di ricerca dell’Inaf. «Questo ci ha permesso di riprodurre le galassie nei nostri “Universi” simulati al calcolatore in modo coerente con quelle vere.  La novità del nostro approccio è stata di esser riusciti a confrontare teoria e dati sperimentali laddove finora non era stato fatto».

La struttura a grande scala e le velocità delle galassie in una regione della simulazione numerica basata sulla Relatività Generale (con energia oscura), che meglio riproduce i dati sperimentali. La figura riproduce una regione di 500 x 370 milioni di anni luce, con uno spessore di 70 attorno ad un super-ammasso di galassie in formazione. I colori descrivono la variazione di densità (crescente dal blu al rosso), mentre le piccole freccette indicano le velocità in quelle posizioni. Come aghi di tante bussole, le velocità delle galassie tracciano la crescita gravitazionale delle strutture, che dipende dal sottile bilancio tra la forza di gravità (e sue eventuali modifiche) e l’espansione dell’universo

Jianhua He e collaboratori hanno infatti simulato la distribuzione e le velocità delle galassie nel caso del modello standard basato sulla Relatività Generale assieme ad una lieve variante della medesima [i cosiddetti modelli f(R)].  Il risultato è stato che le galassie simulate con la teoria di Einstein (che include l’energia oscura attraverso la famosa costante cosmologica) riproducono la distribuzione statistica di posizioni e velocità in modo sorprendentemente accurato. Al contrario, la simulazione del modello “modificato” si allontana fortemente dai dati sperimentali.

L’energia oscura si conferma quindi un ingrediente necessario per spiegare il comportamento del nostro Universo. Se sia una manifestazione dell’energia quantistica del vuoto, se sia costante o se evolva nel tempo rimangono domande aperte e affascinanti.  Importanti risposte arriveranno da nuovi progetti in corso di preparazione, che si propongono di realizzare mappe delle galassie e della materia oscura ancora più grandi. È questo il caso della missione Euclid dell’Esa, che verrà lanciata nel 2022 e in cui l’Italia,  l’Agenzia Spaziale Italiana e l’Inaf giocano un ruolo primario.

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Particelle di Majorana: Cupid-0 alza l’asticella

Quattro ricercatori del team di Cupid-0. Crediti: ufficio comunicazione Infn

L’esperimento Cupid-0 (Cuore Upgrade with Particle Identification), installato presso i Laboratori nazionali del Gran Sasso (Lngs) dell’Istituto nazionale di fisica nucleare, ha pubblicato su Physical Review Letters i suoi primi risultati. A circa un anno dall’inizio della presa dati, cominciata nel marzo 2017, gli scienziati della collaborazione Cupid-0 hanno ottenuto un nuovo limite per il decadimento doppio beta senza neutrini in un isotopo del selenio. Il nuovo limite è circa dieci volte superiore al precedente.

Cupid-0 sta testando calorimetri scintillanti (bolometri) basati su cristalli di seleniuro di zinco, sviluppati grazie al finanziamento dello European Research Council (Erc, Advanced Grant) del progetto Lucifer (Low-background Underground Cryogenic Installation for Elusive Rates), vinto nel 2009 da Fernando Ferroni, attuale presidente dell’Infn. Questa tecnologia sarà poi impiegata nel futuro progetto Cupid, un grande esperimento di terza generazione che verrà costruito ai Lngs nella prossima decade.

Cupid-0 studia il decadimento doppio beta senza neutrini, un fenomeno rarissimo che, se rivelato, implicherebbe che neutrino e antineutrino sono particelle di Majorana, cioè che particella e antiparticella coincidono.

«Cercare di dimostrare l’ipotesi di Majorana sulla natura del neutrino che forse ci potrebbe aiutare a comprendere il mistero della scomparsa dell’antimateria è un’impresa di una difficoltà straordinaria. Cupid-0 apre una prospettiva realistica per un futuro esperimento che possa avere una possibilità di successo», sottolinea Fernando Ferroni, presidente dell’Infn.

Un dettaglio dell’esperimento. Crediti: S. Pirro / Lngs-Infn

«Il grande sforzo della collaborazione è iniziato nel 2010 con il grant europeo Lucifer e oggi viene ampiamente ripagato da questi risultati scientifici. Ringrazio quindi tutti i colleghi che negli anni hanno contribuito a costruire questo successo e i Lngs per il continuo supporto offerto», commenta lo spokesperson Stefano Pirro (Lngs).

«I bolometri per la ricerca del doppio beta, dopo 30 anni di sviluppo e il successo di Cuore, entrano con Cupid-0 in una nuova fase», aggiunge Ezio Previtali, responsabile nazionale dell’esperimento. Siamo orgogliosi perché è l’Infn ad aver ideato questa nuova classe di rivelatori e ad averli portati fino allo sviluppo attuale»..

In Cupid-0 sono coinvolte le sezioni dell’Infn di Genova, Roma1, Milano Bicocca e i Laboratori nazionali di Legnaro e del Gran Sasso che ospitano l’esperimento.

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La Sardegna è pronta per l’Einstein Telescope

Rendering artistico dell’Einstein Telescope. Crediti: Ego Collaboration

Il futuro dell onde gravitazionali potrebbe essere a due passi da noi, anzi nel nostro stesso Paese. Il Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (Miur) sosterrà, infatti, la candidatura della Regione Sardegna a ospitare l’Einstein Telescope (Et), un centro europeo per l’osservazioni delle increspature del tessuto dello spazio-tempo, nella miniera metallifera di Sos Enattos, a Lula.

«È da diversi anni che si sta lavorando all’ipotesi di candidare la Sardegna a ospitare l’Einstein Telescope, una infrastruttura di ricerca che aprirà nuovi orizzonti per l’astrofisica moderna», ha commentato Nichi D’Amico, presidente dell’Istituto nazionale di astrofisica e professore ordinario all’Università di Cagliari. «Si tratta di una grande opportunità per l’Isola, che sta facendo importanti investimenti nella ricerca valorizzando le eccellenze e le peculiarità del territorio».

Il rilevatore di onde gravitazionali Et, cioè Einstein Telescope. Crediti: Ego Collaboration

Il progetto dell’Einstein Telescope comincia a prendere forma e si inserisce alla perfezione nella famiglia di strumenti che lavorano nell’ambito dell’astronomia gravitazionale. Questo gigantesco rilevatore di onde gravitazionali sotterraneo sarà collocato all’interno di gallerie minerarie a una profondità compresa fra i 100 e i 300 metri (per isolarlo e proteggerlo dai movimenti tellurici della crosta terrestre) e avrà un perimetro di 30 km, con i suoi tre bracci disposti a triangolo lunghi 10 km ciascuno. All’interno di ogni braccio – in maniera analoga a quanto accade per i rilevatori americani Ligo e per l’italiano Virgo, che però hanno bracci molto più corti – saranno posti specchi di altissima qualità superficiale attraversati da un laser. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro, la lunghezza dei bracci oscilla e questa variazione viene rivelata dall’esperimento. Questi strumenti sono talmente sensibili da riuscire a captare variazioni infinitesimali. La differenza con Ligo e Virgo è la configurazione triangolare (invece che a “L”), che riprende il concept del progetto per la costruzione del trio satellitare della futura missione Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) dell’Esa.

La firma del protocollo d’intesa tra Miur, Infn, Regione Sardegna e Università di Sassari. Crediti: Ansa

«L’Italia, che è stata protagonista della storica scoperta delle onde gravitazionali grazie all’interferometro Virgo, propone ora la sua candidatura a ospitare il futuro della ricerca in questo campo», ha spiegato Fernando Ferroni, presidente dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (infn). Il Miur, l’amministrazione regionale, l’Infn e l’Università di Sassari hanno firmato un protocollo d’intesa per favorire l’insediamento della infrastruttura.

«Sosteniamo con convinzione la candidatura della Regione Sardegna a ospitare questa nuova infrastruttura globale di ricerca per l’astronomia gravitazionale da terra», ha detto la ministra Valeria Fedeli. «Dopo il rivelatore Advanced Virgo, già in funzione a Cascina (Pisa), aggiudicarci la presenza di questa nuova infrastruttura legata alla ricerca sulle onde gravitazionali sarebbe un importante riconoscimento per il nostro Paese e per il nostro sistema di ricerca. Per queste ragioni è necessario sostenere con un forte gioco di squadra questa candidatura che porterebbe enormi benefici anche al sistema universitario e di ricerca ed economico del territorio sardo».

Il Ministero interverrà con fondi statali per 17 milioni di euro, mentre la Regione ha già stanziato un milione di euro per assicurare la riapertura del laboratorio di ricerca di Sos Enattos. La comunità scientifica italiana ha coordinato il progetto grazie a un finanziamento comunitario, individuando come uno dei luoghi ideali per realizzare l’Einstein Telescope la miniera di Sos Enattos, compatibile con i requisiti di bassissimo rumore sismico e antropico. Gli studi hanno dimostrato che questo sito possiede caratteristiche geologiche e di urbanizzazione adeguate.

Rendering grafico del laser all’interno di uno dei bracci dell’Einstein Telescope. Crediti: Ego Collaboration

L’osservatorio di terza generazione, che potrebbe essere collocato in Sardegna, andrà a caccia delle onde gravitazionali predette da Albert Einstein 100 anni fa, il segnale “tangibile” di eventi di dimensioni catastrofiche, come per esempio il merging (la fusione) di due buchi neri supermassici o di due stelle di neutroni, ma anche come l’esplosione di una supernova, la stessa formazione di buchi neri o il residuo dell’esplosione del Big Bang. Queste onde gravitazionali sono difficilissime da individuare proprio perché il loro passaggio ha effetti quasi invisibili, si parla di milionesimi delle dimensioni di un atomo. Gli interferometri Ligo e Virgo sono già riusciti a individuarle diverse volte, ma il futuro è tutto nelle mani degli esperti che stanno progettando l’Einstein Telescope.

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Trentatré neutrini entrarono in Antares

Rappresentazione artistica del rivelatore di neutrini Antares. Crediti: Antares collaboration

Quasi inafferrabili, i neutrini sono – un po’ come le onde gravitazionali – “messaggeri cosmici” complementari ai fotoni. E, proprio in quanto tali, ambitissimi dagli astrofisici: grazie a essi è possibile ottenere informazioni sui fenomeni fisici dell’universo che nessun “normale” telescopio, per quanto potente, potrebbe mai raccogliere. Ma catturarli è un’impresa: servono, appunto, “telescopi” assai speciali. Telescopi come IceCube: una serie di rivelatori situati nelle profondità dei ghiacci antartico. Alcuni anni fa, gli scienziati di IceCube annunciarono l’osservazione di un eccesso di eventi rispetto al background atmosferico atteso. Era la prima rilevazione di un flusso diffuso di neutrini cosmici. Una scoperta che però attendeva conferma da parte di un altro osservatorio. Una conferma arrivata ora da Antares (acronimo di Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research), un telescopio per neutrini sottomarino non lontano da noi: si trova nel Mediterraneo, al largo delle coste francesi, a oltre duemila metri di profondità.

Fra gli autori dell’articolo scientifico che illustra il risultato, pubblicato a metà gennaio su The Astrophysical Journal, c’è anche l’italiano Luigi Antonio Fusco, fino allo scorso dicembre ricercatore postdoc all’Infn e all’Università di Bologna e attualmente al Cnrs francese. Media Inaf lo ha intervistato.

Antares, un telescopio sui generis, dicevamo. Può tracciarcene un rapido identikit? Dicevamo che si trova sott’acqua…

«Esatto, è un rivelatore composto da 12 “linee” la cui base sta 2475 metri di profondità. Le linee sono sostanzialmente dei cavi, tenuti verticali ed in tensione da delle boe sottomarine. Ciascuna linea è lunga 450 metri, e ospita 25 triplette di moduli ottici: sfere di vetro resistente alla pressione entro cui è sistemato un fotomoltiplicatore da 10 pollici. In totale, il rivelatore occupa un volume di 0.01 km cubi (pari dunque a 10 milioni di tonnellate di acqua), ma può rivelare eventi avvenuti in un volume di acqua molto maggiore: i muoni possono viaggiare diversi km prima di arrestarsi e la luce che essi producono si propaga nel mezzo trasparente per centinaia di metri».

La strategia che avete utilizzato per isolare i neutrini cosmici è rappresentata dal diagramma qui sotto. Ce la può illustrare?

«Nello schema sono mostrati in verde i raggi cosmici primari, che interagiscono nell’atmosfera terrestre, in giallo i muoni, in rosso i neutrini. La maggior parte degli eventi che raggiungono le profondità del rivelatore sono muoni prodotti a seguito delle interazioni dei raggi cosmici nell’alta atmosfera. Per ridurre il fondo prodotto da queste particelle altamente penetranti, si osservano eventi provenienti “dal basso”: vale a dire, indotti da particelle che hanno attraversato tutta la Terra –  cosa possibile solo per i neutrini. Questi neutrini sono ancora per la maggior parte di origine “terrestre”, ovvero atmosferica. Per poter discernere una componente cosmica, prodotta presso oggetti altamente energetici come nuclei galattici attivi, o gamma ray bursts, occorre selezionare gli eventi di energia più elevata nel nostro campione di dati».

E quel ricciolino bianco?

Diagramma dei possibili percorsi dei neutrini. Crediti: Antares collaboration

«Quello non è prettamente inerente con l’analisi in questione: si tratta di una possibile particella massiva debolmente interagente (Wimp) di materia oscura. I telescopi di neutrini possono infatti agire anche da rivelatori indiretti di materia oscura: interagendo solo gravitazionalmente infatti, questa può accumularsi presso oggetti molto massivi, come il centro della Terra, del Sole, o della Via Lattea. Se poi queste particelle di materia oscura interagiscono tra di loro annichilendo, possono produrre neutrini che possono essere rivelati come un eccesso di eventi in direzione di questi oggetti massicci».

Torniamo al vostro articolo: cosa siete riusciti a concludere?

«L’articolo presenta il risultato di una ricerca di neutrini di origine non terrestre – ovvero non prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici nell’alta atmosfera – utilizzando un campione di nove anni di dati raccolti dal telescopio Antares. In questa ricerca si sono utilizzati eventi dovuti ad interazioni di neutrini di ogni tipo. I neutrini muonici producono una traccia la cui direzione può essere misurata con relativa precisione, ma la stima dell’energia è approssimata. I neutrini elettronici (principalmente) producono “sciami”, la cui direzione è misurata male ma l’energia stimata piuttosto bene. Dopo aver applicato una selezione sugli eventi rivelati in modo da ridurre i vari fondi, abbiamo osservato nei dati 33 eventi di più alta energia quando ce ne saremmo dovuti attendere 24».

E questo cosa comporta?

«Pur se minimamente significativa, questa è una prima indicazione della presenza di neutrini cosmici da parte di un rivelatore che non sia IceCube. Le proprietà spettrali che abbiamo ricavato ci indicano anche che quello che stiamo probabilmente osservando è compatibile con il segnale rivelato nei dati di IceCube».

Ecco, a questo proposito: IceCube e rivelatori come Antares, fanno la stessa cosa?

«L’obiettivo dei telescopi dei neutrini è il medesimo: rivelare neutrini di origine cosmica e studiarne le proprietà, per comprendere meglio la fisica (e l’astrofisica) dei raggi cosmici. IceCube è il più grande rivelatore di neutrini al mondo, si trova al Polo Sud geografico, e occupa un volume di circa 1 km cubo. Tramite i dati raccolti con IceCube è stato possibile rivelare un primo segnale di neutrini di altissima energia (al di sopra di qualche decina di TeV) di origine cosmica. Nonostante ormai questo segnale sia stato osservato con elevata significatività, non è stato ancora possibile riconoscerne le sorgenti».

E nel Mediterraneo?

«Un telescopio di neutrini nel mare Mediterraneo rappresenta un punto di osservazione complementare: per poter rivelare correttamente la direzione di provenienza degli eventi si osservano muoni provenienti dal basso: i “cieli” (sotto) due rivelatori in emisferi differenti sono diversi, e in particolare un telescopio nell’emisfero Nord può osservare il cielo Sud, che è estremamente ricco, specie per quanto riguarda sorgenti galattiche come i resti di supernova, principali candidati ad essere sorgenti di neutrini, o la regione del centro e del piano galattico».

Oltre ad Antares, ci sono Nemo e Km3NeT. Cosa li distingue?

«Nemo è stato un progetto prototipale dell’Infn per la realizzazione di un telescopio di neutrini al largo delle coste siciliane, a una profondità di 3500 metri. Lo scopo era quello di avere una tecnologia a più basso costo di quella necessaria per Antares. Quanto a Km3NeT, è la collaborazione europea figlia dell’esperienza di Antares e delle attività di sviluppo di Nemo. La costruzione del telescopio Km3NeT è attualmente in corso. Grazie all’utilizzo di nuove tecnologie realizzative sarà il rivelatore di neutrini più performante al mondo. Quando Km3NeT sorpasserà in sensibilità Antares, questo sarà disattivato».

Luigi Antonio Fusco, ricercatore postdoc al Cnrs francese e membro della collaborazione Antares

Un’altra differenza fra IceCube e i telescopi nel Mediterraneo è che – pur sfruttando tutti l’effetto Cherenkov – il primo usa come mezzo rivelatore il ghiaccio, i secondi l’acqua. Quale dei due permette risultati migliori?

«La differenza principale tra acqua e ghiaccio è che l’acqua è un mezzo sostanzialmente omogeneo, mentre il ghiaccio (antartico) è formato per stratificazione di precipitazioni nevose nel corso di milioni di anni: a causa di ciò intrappolate nei ghiacci ci sono impurità (polvere, bolle d’aria) che costituiscono centri di diffusione per la luce e non permettono di rivelare in maniera così precisa la direzione di provenienza di questi fotoni Cherenkov. In generale però il ghiaccio è più trasparente dell’acqua e quindi permette di rivelare la luce su distanze maggiori. Inoltre il ghiaccio non presenta alcuna fonte esterna di fotoni, mentre nel sale disciolto in acqua è presente l’isotopo 40 del potassio, che è radioattivo e produce luce Cherenkov. In aggiunta, nel mare sono presenti organismi viventi bioluminescenti e anche questi producono luce rivelabile tramite i fotomoltiplicatori. Opportuni algoritmi di selezione dei segnali permettono di pulire sufficientemente bene i dati raccolti da questo fondo spurio».

L’effetto osservabile, se ho ben capito, è quello di un lampo di luce blu. È percepibile anche a occhio nudo? Voglio dire, se m’immergessi a fare una nuotata fra i fotomoltiplicatori di Antares, vedrei anch’io qualche bagliore?

«È un bagliore bluastro (e nel vicino ultravioletto) estremamente debole e di brevissima durata –  e prodotto da particelle che viaggiano alla velocità della luce. Per rivelarlo occorre amplificare fortemente il segnale luminoso grazie appunto ai fotomoltiplicatori, e bisogna farlo in maniera precisa e veloce (con precisioni sui tempi di arrivo dell’ordine dei nanosecondi, per poter ricostruire in maniera accurata gli eventi). Inoltre, per vedere la luce prodotta dall’interazione di neutrini occorrerebbe andare almeno un chilometro in profondità, e questo non è consigliabile per una nuotata».


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