L'astronomia Gamma

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:

• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Le missioni passate

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.

SAS-2 e COS-B

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 pot\'e 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.

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.

Il cielo visto da EGRET

In quasi 10 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.

I Nuclei Galattici Attivi

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 M_o ) 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

Le Pulsar

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 piu' 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 densita' 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 (fig di seguito).

Le sorgenti non identificate

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, cio\'e 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.

I Gamma Ray Burst

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.

L'emissione diffusa

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 p^o 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.