IL FONDO COSMICO DI RAGGI-X – Un problema scientifico – tecnologico

gennaio 29, 2012  |   AstronomiaNova   |     |   0 Commenti

Di Nico Cappelluti

Fig.1. Il satellite HEAO-1 lanciato nel 1977

Una della branche più interessanti dell’astronomia è senza dubbio l’astronomia nella banda-X dello spettro elettromagnetico. Per raggi-X si intendono i fotoni con un’energia nella banda 0.1-100 keV.  Data la grande energia di questi fotoni è facile capire come questi fotoni siano prodotti da fenomeni fisici decisamente energetici.
Nel 1962, lo scienziato italiano Riccardo Giacconi, lancio un razzo equipaggiato con un contatore Geiger con lo scopo di osservare l’emissione di Raggi-X emessi dalla Luna per fluorescenza.
Con questo esperimento Giacconi ed il suo team scoprirono casualmente la prima sorgente di raggi extra-solare Sco-X1. Assieme a questa sorgente, con grande stupore, gli scienziati si accorsero che il contatore aveva rilevato un segnale diffuso che proveniva da tutto il cielo, fú cosí che scoprirono accidentalmente il fondo cosmico di raggi-X (CRB). Il CXB é stato il primo segnale di fondo cosmologico mai scoperto, ben prima della radiazione cosmica di microonde (CMB).
Nei primi anni 70 le prime osservazioni a grande campo con nuove missione spaziali per i raggi-X, come UHURU ed Ariel V, rivelarono che a causa dell’alto livello di omogeneità dell’emissione, questa avrebbe dovuto avere origine extra-galattica.
Alcuni scienziati fra cui il Prof. Setti di Bologna e WoltJer fecero l’ipotesi che il CXB fosse prodotto da sorgenti punti-formi non risolte dagli strumenti del tempo e che queste fosse molto numerose. Il satellite americano HEAO-1 mostrò come il CXB avesse uno spettro tipico simile ad un plasma caldo con temperature di circa 500 milioni di gradi Kelvin, quindi si penso subito che la nostra galassia fosse immersa in un caldissimo mezzo intergalattico. La scoperta della radiazione cosmica di microonde comunque, invalido’ questa ipotesi in quanto questo plasma avrebbe lasciato un’impronta nello spettro di essa grazie all’effetto Sunyaev-Zeldovich’ .

Fig. 2. Specchi dorati per la riflessione dei raggi-X

La tecnologia nel frattempo fece passi da gigante e si riuscì finalmente a costruire telescopi in grado di focheggiare i raggi-X. I raggi-X infatti, non si comportano come i fotoni ottici, infatti se si usasse uno specchio classico i fotoni incidenti penetrerebbero l’alluminio dello specchio e non sarebbero quindi concentrati nello specchio secondario.

I raggi-X però possono essere riflessi da specchi composti da metalli pesanti come l’oro o l’iridio a patto che questi raggiungano lo specchio in modo radente, ovvero con angoli che non superino circa i 10 gradi.
Tipicamente gli specchi usati sono gli specchi di tipo Wolter-I con superficie in Oro o Iridio, con superficie iperboloide nella prima parte e paraboloide nella seconda. Questi specchi sono molto difficili da lavorare in quanto richiedono una precisione di lavorazione dell’ordine del nanometro. Lo specchio del satellite tedesco ROSAT e’ entrato nel libro del guiness dei primati  come la superficie piú liscia mai creata dall’uomo.
In fig. 3 e’ mostrato lo schema di uno specchio Wolter-I.  Le osservazioni ai raggi-X inoltre sono inoltre complicate dal fatto che l’atmosfera terrestre fortunatamente assorbe tutti i raggi -X dallo spazio, quindi i telescopi devono essere messi in orbita.

Fig. 3. Schema di specchio di tipo Wolter-I. Il telescopio Wolter è un telescopio per raggi X che usa ottiche con piccoli angoli di incidenza. Questa configurazione nasce dal comportamento dei raggi X i quali possono essere deviati e concentrati solo con piccoli angoli, sino a circa 2°, diversamente da come avviene per la luce visibile. Nel 1952, Hans Wolter delineò 3 possibili configurazioni usando degli specchi finemente lavorati, denominati Wolter I, II e III. Si tratta di una combinazione di specchi parabolici e iperbolici per concentrare i raggi X in un unico fuoco.

Il telescopio spaziale Einstein, fu in grado, grazie a questa tecnologia di osservare le sorgenti del CXB come singole sorgenti puntiformi e di risolverne circa il 25%.

Fig. 4. Immagine composita, in alta risoluzione, del core attivo della famosa galassia nei Cani da Caccia, M51, ottenuta elaborando alcuni immagini del telescopio Spaziale Hubble.

Queste sorgenti, fig. 4, furono poi successivamente identificate come nuclei galattici attivi (AGN). Gli AGN sono intense sorgenti luminose che provenienti dal centro di alcune galassie .  Secondo il modello standard l’energia che alimenta gli AGN è generata dalla materia che cade all’interno di un buco nero supermassiccio di massa compresa tra 1 milione e 10 miliardi di volte quella del Sole. Negli anni 90 il satellite tedesco ROSAT fece la prima survey di tutto il cielo nella banda X e fu un grado di risolvere in sorgenti puntiformi circa il 75% del fondo cosmico-X.  In fig. 5 il fondo cosmico X osservato da ROSAT.

Fig. 5. Mappa all-Sky nei raggi X “morbidi” ottenuta dal satellite Rosat (acronimo di: Röntgensatellit) che fu lanciato il 1º giugno 1990 e rimase operativo fino al 12 febbraio 1999. Scopo principale della sua missione era di scandagliare l'universo nelle bande spettrali dei raggi X e dell'ultravioletto estremo, per un periodo stimato di 18 mesi; in realtà la sua operatività durò ben otto anni. Nei seguenti 12 anni, l'orbita del satellite è variata dagli iniziali 580 chilometri a 270 chilometri, per effetto della resistenza atmosferica, tanto da rientrare nell'atmosfera il 23 ottobre 2011 e precipitare nell'Oceano Indiano.

I due telescopi orbitali che hanno dato un contributo fondamentale alla conoscenza della distribuzione della radiazione cosmica X: in alto, XMM-Newton, sotto, Chandra.

Nel 1999 due modernissimi telescopi furono lanciati dall’ESA e dalla NASA, XMM-Newton e Chandra grazie ai quali siamo stati in grado di risolvere fino al 95% del fondo cosmico-X.

La restante parte comunque e’ di per se a suo modo molto interessante e scientificamente rilevante.

Si pensa infatti che questa contenga informazioni sulle sorgenti più remote dell’universo e su una forma di materia esotica ma fisicamente importantissima, il WHIM (mezzo intergalattico tiepido).

Questo gas formato prevalentemente da elementi leggeri ionizzati ha una temperatura di circa un milione di gradi Kelvin ed e’ il luogo dove ci si aspetta  metà della popolazione di barioni dell’universo, dei quali si e’ persa traccia negli ultimi miliardi di anni.

Nico Cappelluti (a sinistra nella foto), con l’astronauta Umberto Guidoni, al IV° Convegno EAN di Concordia sulla Secchia (MO), 27-28-29 maggio 2011.

Il dott. Nico Cappelluti,

dell’Osservatorio astronomico di Bologna, ha svolto ricerca nel campo delle survey di nuclei galattici attivi.
In particolare si e’ dedicato allo studio del clustering di sorgenti X, nel tentativo di capire i meccanismi che legano le galassie, la materia oscura e i buchi neri supermassicci.
Uno dei risultati piu’ importanti e’ stato trovare l’evidenza, con il satellite Swift,  che i buchi neri supermassicci vengono  attivati molto probabilmente dagli scontri di galassie.
Inoltre ha scoperto grazie al telescopio spaziale Chandra
che i nuclei galattici attivi si presentano molto più frequentemente
nelle zone esterne agli ammassi di galassie che in altre regioni.
Ha scoperto nel 2009 un brillamento nella banda X causato
dalla distruzione mareale di una stella da parte di un buco nero supermassiccio.
Nico Cappelluti si e’ laureato all’università di Bologna in Astronomia, ha conseguito il dottorato in Astrofisica presso l’International Max-Planck Research School di Monaco di Baviera.
Dopo avere trascorso più di sei anni al Max-Planck Institute ha vinto la prestigiosa INAF fellowship, il nuovo programma di postdottorato proposto da INAF. E’ stato insignito del Premio EAN-CPL “B.G. Marsden 2011”.









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