Un nuovo telescopio per indagare i misteri della Via Lattea

Rendering di COSI. Credits: Jim Willis, Northrop Grumman Corporation 1/2 Space Systems

NASA ha annunciato la selezione di un nuovo telescopio spaziale che indagherà la nascita e la morte delle stelle e la formazione di elementi chimici nella Via Lattea. Il telescopio, battezzato COSI (Compton Spectrometer and Imager), osserverà nel dominio dei raggi gamma (0,2÷5 MeV) e verrà lanciato nel 2025 come parte della sezione di astrofisica del programma Explorers di NASA. Il costo totale della missione sarà di 145 milioni di dollari, a cui andranno aggiunti quelli necessari per il lancio, che verranno resi noti solo dopo la selezione del vettore.

Lo sviluppo della missione è passato da alcune fasi meno convenzionali rispetto al solito: il team scientifico di COSI ha ampiamente sfruttato campagne con i palloni sonda e super pressurizzati, progettati per lunghi voli e carichi pesanti, per testare la strumentazione che poi è stata portata nella versione spaziale della missione.

Obiettivi della missione

COSI studierà le origini dei positroni galattici, scoprirà i luoghi della nucleosintesi nella Via Lattea e compirà studi pionieristici sulla polarizzazione dei raggi gamma. Nonostante il regime dei raggi gamma leggeri/medi sia uno dei meno esplorati nel mondo astrofisico (l’attuale sensibilità è centinaia di volte peggiore che nelle bande vicine), esso rimane di elevato interesse in quanto regione di emissione da ambienti molto estremi.

Annichilazione dei positroni

Con annichilazione si intende il processo fisico che vede coinvolte una particella e la sua antiparticella e la conseguente emissione di energia: in particolare quando un elettrone e un positrone (una particella con massa identica a quella dell’elettrone ma carica opposta) si scontrano viene rilasciata energia, che viene poi rilevata dagli strumenti di alcuni telescopi dedicati. La linea di emissione a 511 keV, nota come linea γ, è stata scoperta per la prima volta negli anni ’70 provenire dal centro galattico. La sorgente alla base di questi positroni non è ancora nota, ma alcuni candidati sono il decadimento β della nucleosintesi stellare, getti di raggi X (XRB, X-Ray Burst), microquasar, pulsar e magnetar, decadimento dei pioni nei raggi cosmici, buchi neri super massicci o, infine, annichilazione, decadimento o diseccitazione della materia oscura.

Si può quindi comprendere come le possibili origini dei positroni siano uno dei tanti capitoli ancora aperti in astrofisica: l’immissione in orbita di COSI potrà permettere di ridurre il ventaglio delle ipotesi o fornire ulteriori dati per lo sviluppo di nuove teorie. Il telescopio produrrà infatti la prima immagine diretta della linea a 511 keV dal disco e dallo sferoide galattico, oltre a misurare i profili di linea in queste regioni. Comparando questa mappa con quella di ²⁶Al, prodotto dal decadimento β della nucleosintesi stellare, si potrà determinare se l’emissione di positroni corrisponde a quella dei nuclei stellari.

Polarizzazione dei Gamma Ray Burst (GRB) e degli oggetti compatti

Le attuali conoscenze sui processi fisici dell’emissione di oggetti in ambienti estremi, come i GRB, i sistemi di buchi neri e i nuclei galattici attivi, sono molto limitate e differenti modelli teorici spesso predicono risultati diversi di polarizzazione. Attualmente sono state riportate meno di dieci misure della polarizzazione dei GRB ed è quindi impossibile trarre delle conclusioni generali.

A questo proposito COSI, grazie all’elevata sensibilità, studierà la polarizzazione dei GRB e degli oggetti compatti brillanti nel dominio gamma, come la nebulosa Granchio, Cygnus X-1 e Centauri A, portando a miglioramenti nella comprensione dei meccanismi di questi sistemi.

Nucleosintesi stellare

Con nucleosintesi stellare si intende il processo di formazione dei nuclei atomici pesanti all’interno delle stelle, anche in conseguenza dell’esplosione di quest’ultime come supernovae, la cui evoluzione è osservabile tramite l’osservazione delle linee nucleari e la comparazione dei flussi di isotopi diversi solamente nel dominio dei raggi gamma leggeri.

Strumentazione e funzionamento

Un telescopio Compton misura la posizione e l’energia depositata di una sequenza di scattering di Compton da un raggio gamma per determinarne il percorso attraverso un detector attivo. Dalla ricostruzione dell’ordine degli eventi e misurando l’angolo di deviazione e la posizione della prima interazione, è possibile circoscrivere l’origine del fotone a un anello in cielo (cerchio degli eventi, circle event). In questo modo, se più fotoni provengono dalla stessa posizione in cielo i loro rispettivi anelli si intersecheranno, individuando la posizione della sorgente, la cui immagine viene poi ricostruita con tecniche di deconvoluzione iterate.

Schema di un evento di Compton, con evidenziati i parametri misurati in un telescopio Compton. In particolare è rappresentato un doppio scatter di un raggio gamma. Credits: Carolyn Kierans, 2018

COSI incorporerà 16 detector criogenici al germanio disposti a strisce incrociate, con ottime capacità di effettuare misure spettroscopiche e con un ottimo potere risolutivo tridimensionale della posizione determinate proprio dalla scelta del materiale. I detector non verranno raffreddati con azoto liquido, come solitamente avviene, ma attraverso l’utilizzo di un criostato di alluminio che circonda i rilevatori. Ogni cristallo misura 8 cm × 8 cm × 1,5 cm e ha 64 strisce di elettrodi depositati sull’anodo e al catodo ortogonalmente.

Il design compatto del telescopio permetterà di avere un’elevata sensibilità alla polarizzazione a scapito però della perdita di consequenzialità degli eventi; attraverso delle tecniche particolari è comunque possibile ricostruire il percorso più probabile seguito dai fotoni e quindi effettuare misure.

Un decennio segnato dai telescopi

Il decennio 2020–2030 porterà molti avanzamenti nell’esplorazione spaziale: oltre al programma Artemis di NASA, le missioni di ritorno dei campioni da Marte e Fobos e la probabile affermazione del turismo spaziale, verranno lanciati in orbita almeno 4 importanti telescopi. Il primo a partire sarà James Webb Space Telescope, già arrivato in Guyana Francese, il prossimo 18 dicembre, mentre per la fine del 2022 è previsto il decollo di Euclid, il telescopio di ESA per lo studio della materia ed energia oscura. Verso metà degli anni ’20 ci sarà il lancio di Nancy Grace Roman, in precedenza noto come WFIRST, i cui obiettivi saranno gli esopianeti, l’energia oscura e l’accelerazione cosmica, e quasi contemporaneamente è prevista la partenza di PLATO, anch’esso dedicato allo studio dei pianeti extrasolari. A questi quattro grandi osservatori vanno aggiunti quelli meno noti, come ad esempio SPHEREx, ARIEL, EUVST e Xuntian, che permetteranno di aggiungere dati di qualità per la ricerca astronomica.

Fonti: NASA, sito web della missione COSI.

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Matteo Deguidi

Studente di astronomia presso l'Università di Padova, mi intriga e appassiona tutto quello che riguarda le missioni scientifiche e soprattutto le prossime generazioni di telescopi. Considero ISAA come una seconda famiglia, la quale mi ha dato possibilità di accedere ad un mondo di notizie che da tanto ricercavo.