Science, 8 Jan 93, Vol. 259, pg. 177 - Gary Taubes - Sono state osservate particelle cosmiche con un’energia di 10E20 eV, 10 milioni di volte più grande di quella che ci si aspetta di realizzare con il Superconductor Supercollider (SCC). Non è noto come vengano generate tali particelle che sembrano inoltre provenire da ogni direzione. L’origine non è determinabile per le particelle cariche che sono deflesse dai campi magnetici, i neutroni decadono in protoni nel tragitto, solo i raggi gamma non sono deflessi, ma sono solo una piccola parte di queste radiazioni. I rivelatori sfruttano l’effetto Cherenkov, un cono fluorescente nella direzione di arrivo e la misura della cascata di particelle secondarie emesse. Le particelle a più alta energia sono protoni. Una teoria fa originare queste particelle dai buchi neri che agiscono come acceleratori.
Science, 7 Mag 93, Vol. 260, pg. 756 - Faye Flam - Uno dei maggiori misteri dell’astronomia è quello dei potenti impulsi di raggi gamma che quasi una volta al giorno arrivano da direzioni casuali dello spazio senza che sia mai stato possibile collegarli con oggetti dello spazio quali stelle, quasar o galassie. Anche le osservazioni condotte dal Gamma Ray Observatory della NASA non hanno potuto verificare disuniformità nella direzione di provenienza di questi impulsi. Questi impulsi variano in durata da frazioni di secondi a parecchie centinaia di secondi (durata più frequente intorno ai 50 sec). Sull’origine si sono fatte numerose ipotesi, luogo: nei dintorni della galassia o ai confini dell’universo, origine: esplosione o collisione di stelle di neutroni o di buchi neri.
Science, 18 Jun 93, Vol. 260, pg. 1769 - Joachim Trümper - Negli ultimi 30 anni l’astronomia a raggi X ha permesso di fotografare l’universo caldo, cioè gli oggetti stellari a temperature di milioni di miliardi di gradi. Gli oggetti più brillanti del cielo a raggi X sono le stelle di neutroni ed i buchi neri in accrescimento. Nuovi progressi si sono avuti dopo il lancio del satellite tedesco ROSAT cioè il Röentgen Satellite dal nome di Wilhelm Conrad Röentgen che scoprì i raggi X nel 1895 e vinse il premio Nobel nella Fisica nel 1901. Il satellite porta due potenti strumenti: un telescopio a raggi X sensibile ai fotoni con energia compresa fra 0,1 e 3 keV ed un telescopio per l’estremo ultravioletto (EUV) che copre le bande fra 25 e 10 eV. I primi 6 mesi della missione sono stati destinati all’analisi di tutto il cielo sia per le radiazioni X che per gli EUV. Poi per più di due anni si sono fatte circa 3400 osservazioni su sorgenti selezionate.
Science, 17 Sep 93, Vol. 261, pg. 1520 - Faye Flam - Da 30 anni si conosce l’esistenza di una radiazione di fondo a raggi X proveniente da tutte le direzioni. Ora un gruppo di astronomi della John Hopkins University ha concluso che la distribuzione di queste sorgenti corrisponde a quella delle sorgenti note come Active Galactic Nuclei (AGN) quali i quasar. Altre sorgenti si trovano nelle nostra galassia.
Science, 10 Dec 93, Vol. 262, pg. 1649 - Gary Taubes - Raggi cosmici ad alta energia arrivano sulla Terra da tutte le direzioni ma, mentre molti possono essere i tipi di sorgente responsabili nel caso di energie relativamente modeste, lo stesso non si può dire per energie da 10E15 a 10E20 eV. I valori più alti, oltre i 10E19 eV sono portati solo da protoni e non da nuclei pesanti e nella loro direzione di provenienza non si trova nulla che possa averli generati. Si è avanzata anche una spiegazione esotica cioè che siano il prodotto del decadimento, agli inizi dell’universo, di un qualche difetto topologico della trama dello spaziotempo come una stringa cosmica.
Science, 7 Jan 94, Vol. 263, pg. 42 - Yasuo Tanaka - Fra le scoperte astronomiche più importanti degli anni ‘60 c’è quella della stella a raggi X detta Sco X-1(Scorpio). Da allora l’astronomia ai raggi X si è sviluppata molto rapidamente con i satelliti. Le radiazioni X sono emesse per effetto termico dai plasma a temperature di 10 milioni di K o per processi relativistici dovuti ad elettroni di alta energia. Molte galassie, inclusi i quasar, emettono raggi X e si tratta sempre di una regione centrale molto piccola detta Active Galactic Nucleus (AGN) forse sede di un buco nero. Il primo satellite per l’osservazione dei raggi X è stato l’UHURU (1970). Oggi ci sono il ROSAT (Germania), il GRANAT (Russia), il CGRO o Compton Gamma-Ray Observatory (USA) ed il più recente ASCA (Giappone). Lo ASCA, pur con una modesta risoluzione di circa 1 minuto d’arco, è capace di fornire un’immagine simultanea nel campo da 0,5 a 10 keV.
Science, 7 Jan 94, Vol. 263, pg. 47 - Dieter H. Hartmann - I Gamma Ray Burst (GRB) scoperti circa 20 anni fa sono brevi, imprevedibili e senza ripetizione. La loro durata è fra un centesimo ed un migliaio di secondi e la loro energia va da 1 MeV a 100 MeV. Il Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) ha rivelato una media di un evento al giorno. Sembra che la loro origine sia entro 1 kpc dal sole dove è approssimativamente uniforme la distribuzione delle stelle di neutroni. Il modello più accettato è quello della collisione fra due stelle di neutroni che può produrre radiazioni di questa intensità.
Science, 26 Aug 94, Vol. 265, pg. 1186 - John M. Horack - Dopo 3 anni del lancio del Burst and Transient Source Experiment (BATSE) è ancora aperto il dibattito sull’origine dei Gamma Ray Bursts (GRB) che vengono comunemente, ma non da tutti, associati alle stelle di neutroni del nostro disco galattico. I circa 1000 burst osservati non mostrano una significativa deviazione da una distribuzione isotropica, ma riferiti al centro galattico dovrebbero riempire un raggio di 300 kpc o più. Questo significa che le galassie della Grande e Piccola Nube di Magellano dovrebbero essere incluse ed invece ci si aspetterebbe una maggiore concentrazione in queste direzioni ed in quella della M31. Un altro problema è se questi burst si ripetono dalle stesse sorgenti e fino a questo momento non ci sono prove per questa ipotesi; inoltre il campo di luminosità ha circa un valore di 100 e la distribuzione segue in parte la legge della potenza di -3/2 che indica omogeneità spaziale, ma con una pendenza di -0,8 alle più basse intensità il ché sta ad indicare che da una certa distanza sconosciuta l’intensità decresce. Se i burst fossero di origine cosmologica la riduzione di luminosità potrebbe essere collocata ad un distanza di red-shift di circa 2. Per risposte più definitive sono ancora necessari più dati, più analisi e più tempo.
Science, 14 Apr 95, Vol. 268, pg. 202 - Donald Goldsmith - Con il satellite EUVE (Extreme Ultraviolet Explorer) lanciato dagli USA nel 1992 ed il precedente ROSAT (Röentgen Satellite), lanciato nel 1990, con i sensori nella banda dei raggi X, gli astronomi hanno aperto un’altra finestra nell’analisi delle radiazioni del cosmo. L’osservazione delle radiazioni ultraviolette di lontane sorgenti può permettere l’analisi di gas interstellari attraverso le righe di assorbimento. Lo spettro nell’ultravioletto delle nane bianche ha rivelato la presenza di ferro e di altri elementi pesanti su una superficie con temperature di più di 40000 K. Perpendicolari al piano della nostra galassia, non coperti dalle nubi cosmiche, si possono osservare, a distanze di milioni e miliardi di anni luce, le sorgenti più intense nell’ultravioletto: quasar e nuclei di galassie attive (AGN).
Science, 12 May 95, Vol. 268, pg. 800 - Tim Appenzeller - In un recente dibattito si è fatto il punto sul problema delle origini dei Gamma Ray Bursts (GRB) che, dalla loro prima osservazione nel 1960 da parte di un satellite lanciato per monitorare le esplosioni nucleari sovietiche, non hanno ancora trovato una sorgente. Vi sono due risposte diverse al problema. Una minoranza sostiene che vi sono prove che l’origine sia nell’alone che circonda la nostra galassia e siano prodotti da stelle di neutroni ad alta velocità quando grumi di materia vengono da loro catturati. Una maggioranza sostiene che l’origine si trovi a distanze cosmologiche ai confini dell’universo. Se l’origine fosse nei dintorni della galassia la sua forma dovrebbe emergere dall’intensità dei burst proveniente dai punti più lontani dalla terra e ciò non è stato osservato. Attualmente i rilevamenti sono effettuati dal Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), ma si spera in uno strumento più sensibile per verificare la presenza di un alone simile intorno alla vicina galassia M31. Se questo venisse trovato potrebbe veramente cadere l’ipotesi cosmologica.
Science, 1 Sep 95, Vol. 269, pg. 1221 - James Glanz - Nessuno conosce ancora il meccanismo che produce le particelle dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra con energia milioni di volte più grande di quella prodotta dai più grandi acceleratori (fino a 10E20 eV). Con gli attuali rivelatori si può avere prova di queste particelle con una frequenza di una ogni due anni. Per aumentare la frequenza di rivelazione ed avere una possibilità di scoprirne la provenienza, si è pensato di realizzare due array di rivelatori, uno in ogni emisfero formati da migliaia di grandi vasche d’acqua per catturare i flash di luce Cerenkov prodotti dalla cascata di particelle secondarie di questi raggi cosmici. La spaziatura di questi rivelatori dovrà essere di 1500 m e la griglia dovrebbe coprire da 3000 a 5000 kmq. I luoghi dove installare questi array dovrebbero essere USA, Spagna o Russia per l’emisfero nord e Australia, Sud Africa o Argentina per l’emisfero sud. I fondi richiesti sono di circa 100 milioni di US$ e dovranno essere raccolti il prossimo anno.
Science, 8 Sep 95, Vol. 269, pg. 1336 - James Glanz - Nel 1960, 6 anni dopo la scoperta del maser, gli astronomi hanno scoperto una sorgente di radiazioni coerenti a microonde nello spazio. Solo adesso sembra sia stata scoperta una sorgente laser naturale nella costellazione del Cigno a 4000 anni luce dalla Terra. La luce infrarossa è generata da un disco di gas idrogeno, ionizzato da radiazioni ultraviolette, che ruota intorno ad una giovane stella. La stella è la MWC349 che produce anche intense radiazioni maser. Le osservazioni sono state fatte con un telescopio infrarosso da 0,9 m posto a bordo di un C141 della Lockheed a 12500 m di altezza. La riga infrarossa è a 169 micrometri ed è molto intensa. Si spera di ottenere dei fondi per realizzare entro la fine del secolo un osservatorio volante a bordo di un 747 chiamato SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy).
Science, 15 Dec 95, Vol. 270, pg. 1771 - Yasuo Fukui - Le emissioni maser sono state scoperte nel 1965, da allora sono state usate come indice delle condizioni dinamiche e fisiche del gas interstellare intorno ai nuclei galattici, delle protostelle e delle stelle in evoluzione. Oggi si sa che sette specie di molecole emettono intense righe maser: H2O, OH, CH3OH, SiO, HCN, H2CO, NH3. In particolare OH emette una riga principale a 1720 MHz, osservata nelle interazioni delle supernove con i gas circostanti, ed altre tre righe di transizione fra 1612 e 1667 MHz osservate nelle regioni di formazione delle stelle massive o in evoluzione.
Science, 22 Dec 95, Vol. 270, pg. 1923 - James Glanz - I raggi cosmici che investono l’alta atmosfera della Terra provocano una cascata di particelle secondarie e la loro energia incidente può raggiungere valori di 3*10E20, milioni di volte più grande di quella raggiunta dagli acceleratori terrestri. L’origine delle particelle a più alta energia è completamente sconosciuta, alcuni ipotizzano un legame con un altro misterioso fenomeno: quello del gamma ray burst (GRB), i fasci di raggi gamma che arrivano da direzioni impreviste circa una volta al giorno. Allo stato attuale sono possibili le ipotesi più esotiche come quelle che li fanno derivare da eventi dell’inizio dell’universo; per il momento si attende di raccogliere sempre più dati ed i fisici di 19 paesi propongono di realizzare due grandi array di rivelatori nei due emisferi della Terra; ciascuno sarebbe costituito da migliaia di rivelatori distribuiti su una superficie di 3000 - 5000 kmq con un costo totale di circa 100 milioni di US$.
Science, 12 Jan 96, Vol. 271, pg. 142 - Gary Taubes - I fisici delle particelle che indagano sulle radiazioni cosmiche incluse le particelle di dark matter e quelle ad altissima energia sono interessati a spostare nello spazio la sede degli esperimenti. Attualmente si trova nello spazio lo EGRET, un telescopio per raggi gamma, proposto nel 1960 dal premio Nobel Robert Hofstadter della Stanford University. I fisici dello SLAC propongono ora una versione migliorata basata su rivelatori a microstriscia in silicio in più strati nei quali per ogni particella incidente si liberano coppie elettroni-buchi e permettono un’accuratezza tre volte migliore nella determinazione della traiettoria. Un nuovo telescopio rivelatore per raggi gamma proposto è basato invece sull’emissione di coppie elettroni-positroni ed è chiamato GLAST ( Gamma Large Array Space Telescope) da 100 milioni di US$ ed avrà una sensibilità 50-100 volte migliore dello EGRET. Il GLAST permetterà di ottenere un’immagine a raggi gamma del cielo e dare una mappa dei misteriosi flash di raggi gamma che arrivano in modo casuale. Un altro progetto dei fisici è quello di un rivelatore di antimateria per rispondere alla domanda se esistono nello spazio galassie di antimateria. Alla sua nascita infatti l’universo doveva contenere in parti quasi uguali materia e antimateria; successivamente il processo di annichilimento deve aver lasciato un protone ogni 100 miliardi di coppie protoni-antiprotoni se si ammette una certa asimmetria nelle leggi della fisica che favoriva la materia sull’antimateria. Un’altra teoria, meno sostenuta, suppone invece che siano rimasti nell’universo parti uguali di materia e antimateria. Solo degli esperimenti possono risolvere la questione. Sembra assodato tuttavia che non esistono galassie di antimateria vicine alla nostra, in questo caso infatti sarebbero emessi dei raggi gamma di un’energia specifica corrispondenti al processo di annichilamento. Una dimostrazione conclusiva sarebbe la rivelazione di nuclei di anticarbonio nei raggi cosmici che proverebbe l’esistenza di antistelle nel cosmo. Un rivelatore di antimateria richiede un magnete a superconduttore per deviare in direzioni opposte le particelle cariche di materia e antimateria. Esperienze con un tale rivelatore, portato ad alta quota da un pallone, sono state compiute negli anni ‘60 e ‘70 e sono state campionate 40000 particelle, ma nessuna è risultata essere di antimateria; in realtà per rivelare antigalassie distanti è necessario campionare da 1 a 100 milioni di particelle cosmiche. Un tale rivelatore è detto Antimatter Magnetic Spectrometer (AMS) ed il primo esemplare potrebbe essere inviato nello spazio entro il 2001.
Science, 4 Oct 96, Vol. 274, pg. 38 - Govert Schilling - Il 20 luglio il sistema di rivelazione a raggi gamma ed a raggi X, a bordo del satellite Italo-Olandese Beppo-SAX, ha individuato, per la prima volta dalla scoperta avvenuta 30 anni fa, la direzione di provenienza di uno dei misteriosi lampi di raggi gamma che arrivano da direzioni casuali circa una volta al giorno. La simultanea presenza di un fascio di raggi X, discriminato in modo più preciso, ha permesso di localizzare il punto di provenienza in un raggio di 10 minuti di arco vicino alla costellazione di Hercules. Si confida nel futuro in una maggiore precisione con il satellite HETE (High Energy Transient Experiment) che sarà lanciato dalla NASA nelle prossime settimane ed è dotato di rivelatori gamma, X, e nell’ultravioletto.
Science, 20 Dec 96, Vol. 274, pg. 2007 - Andrew Watson - La scorsa settimana un team USA-Russo ha annunziato che 4 rivelatori nello spazio hanno raccolto, nell’arco di 2 giorni alla fine di ottobre, 4 lampi di raggi gamma dalla medesima piccola porzione di spazio. I rivelatori erano a bordo del Compton Gamma Ray Observatory (GRO) e dell’Ulysses. Si deve dedurre che c’è una singola sorgente che produce lampi a ripetizione e questa sorgente si trova nelle vicinanze della nostra galassia e non dai confini dell’universo. I ricercatori in realtà credono che i due brevi impulsi rivelati il 27 ottobre sono indipendenti mentre la coppia di impulsi rivelata 2 giorni dopo e distanziati di 23 minuti provengono dalla stessa sorgente. Si cominciano ad avere dati per discriminare fra le diverse teorie su questi misteriosi eventi.
Science, 10 Jan 97, Vol. 275, pg. 159 - James Glanz - Il più grande rivelatore di neutrini del mondo è in funzione da aprile dell’anno scorso in una miniera a 300 km a ovest di Tokyo e, dopo 102 giorni di funzionamento ha confermato il misterioso deficit nel flusso di neutrini dal Sole. Con 50000 tonnellate di acqua e 11200 fotorivelatori il sistema, chiamato Super-Kamiokande o Super-K, ha rivelato circa 10 neutrini al giorno nella direzione del Sole la metà di quanto previsto dalla teoria raccogliendo più eventi di quanto non abbiano fatto tutti gli altri esperimenti in 30 anni. La conferma del deficit può significare che i neutrini hanno una massa e quindi si trasformano in tipi diversi oppure che non è ancora perfettamente compreso il funzionamento del Sole.
Science, 7 Feb 97, Vol. 275, pg. 758 - James Glanz - La polarizzazione della luce che proviene dalle stelle non è casuale, ma è orientata prevalentemente secondo le linee del campo magnetico parallele al piano della nostra galassia. Poiché il campo magnetico da solo non può polarizzare la luce si pensa che ciò avvenga con l’aiuto della polvere interstellare. I grani di polvere di forma irregolare si orientano secondo le linee di forza nella loro dimensione più lunga e si comportano come piccole antenne. L’orientamento dei grani è prodotto dalla rotazione indotta dalla radiazione che in tempi dell’ordine di 100000 anni può raggiungere il milione di rotazioni al secondo e trasforma i grani in piccole barre magnetiche. Il meccanismo crea un filtro di polarizzazione per la luce stellare. Un altro problema connesso alla polvere interstellare è il motivo per cui i cluster globulari appaiono privi di polveri. Si pensa che ogni stella si comporta come una lente gravitazionale per le radiazioni X e UV creando dei fasci concentrati molto intensi che distruggono le polveri. La polvere interstellare è anche responsabile della tendenza al rosso della luce proveniente dai lontani quasar quando questa passa attraverso una lente gravitazionale prodotta da una galassia intermedia.
Science, 21 Mar 97, Vol. 275, pg. 1738 - Govert Schilling with reporting by Susan Biggin - Dopo la scoperta del lampo di raggi gamma e della sorgente di raggi X nella stessa posizione da parte della sonda italo-olandese Beppo-SAX, sono seguite ulteriori osservazioni da parte di osservatori nelle Canarie e nel Cile a La Silla e sono state scoperte deboli variazioni di luminosità in una distante galassia. Si consolida l’ipotesi che l’origine dei GRB sia a distanze cosmiche e non nella nostra galassia. Un fenomeno di grande potenza, perché così distante, può essere generato dalla collisione di due stelle di neutroni.
Science, 25 Apr 97, Vol. 276, pg. 529 - James Glanz - La ricerca dell’origine dei Gamma Ray Bursts (GRB) porta nuove sorprese. Dopo l’individuazione della sorgente a raggi X in corrispondenza della sorgente gamma è entrato in azione lo Hubble Space Telescope (HST), ma l’analisi dei suoi dati ha creato divergenze. Il 17 aprile un gruppo dell’Istituto di Fisica Cosmica (IFC) di Milano, Italia, ha rilevato che la sorgente si era mossa e questo fa pensare ad un oggetto molto vicino mentre il team dello Space Telescope Science Institute (STSCI) di Baltimora nega questo fatto. Sono necessari nuovi dati, ma bisognerà attendere che l’oggetto, ormai troppo vicino al sole, riemerga fra qualche mese e sia ancora visibile.
Science, 23 May 97, Vol. 276, pg. 1194 - Govert Schilling - Dopo uno e due giorni dalla scoperta del Gamma Ray Burst (GRB) dell’8 maggio nella costellazione nord del Camaleopardis (Giraffa), nello stesso punto una sorgente luminosa ha continuato a brillare e quindi si è attenuata. L’11 maggio il telescopio da 10 m Keck di Mauna Kea nelle Hawaii ha catturato lo spettro di questa sorgente che conteneva righe di assorbimento di ferro e magnesio, elementi che si trovavano davanti alla sorgente, e ha scoperto che erano fortemente spostate verso il rosso per effetto dell’espansione dell’universo. Il red shift corrispondeva a 0,835 indicando che il materiale assorbente si trova a diversi miliardi di anni luce. Il verdetto è stato che i GRB provengono da distanze cosmologiche molto al di là della nostra galassia. Si tratterà ora di capire quali cataclismi sono capaci di generare questi eventi fra i più energetici del cosmo.
Science, 29 Aug 97, Vol. 277, pg. 1257 - Chryssa Kouveliotou - I Gamma Ray Bursts (GRB) sono stati un mistero degli ultimi 30 anni e molte teorie sono state suggerite per spiegarli. Poiché la loro durata copre 5 ordini di grandezza, da pochi millisecondi a dei minuti e la loro potenza di picco va da 0,1 a 1 MeV, molti teorici li associavano a processi che si verificano nelle stelle di neutroni nella nostra galassia. Con il satellite Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), lanciato nel 1991, si è visto che queste radiazioni non hanno una direzione di provenienza privilegiata. Successivamente, dopo il lancio del satellite italo-olandese Beppo-Sax del 1996, si è ottenuta la localizzazione di una di queste sorgenti entro pochi minuti di arco e poche ore dopo si sono scoperte vicino alla stessa zona delle sorgenti nello spettro X e ottico. Nell’evento dell’8 maggio 1997, non solo furono rivelate successivamente due sorgenti ottica e a raggi X, ma l’analisi dello spettro del telescopio Keck ha fornito anche un concreto limite per la distanza corrispondente ad un red shift di 0,835 cioè ad una distanza di circa 4 Gpc come quella di una galassia nana; un’altra sorpresa è venuta poi dal Very Large Array di telescopi del New Mexico che scoprì anche un’emissione radio associata. L’ipotesi è che i raggi gamma si originano dall’esplosione di piccoli oggetti cosmici all’interno di galassie dopo l’espansione della palla di fuoco fino a circa 100 milioni di km; proseguendo l’espansione fino a miliardi di km, l’onda collide con i gas della galassia e produce, giorni o settimane dopo il GRB, emissioni in banda X, ottica e radio.
Science, 5 Dec 97, Vol. 278, pg. 1708 - David Ehrenstein - L’atmosfera terrestre è bombardata da particelle di altissima energia dette UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays) di cui non si conosce nessuna sorgente capace di produrle. Si suppone che non possano venire da molto lontano, più di circa 20 milioni di anni luce, perché l’interazione con la radiazione cosmica di fondo le farebbero decadere in particelle a più bassa energia. Si definiscono UHERC le particelle con energia di almeno 10E20 eV, 100 milioni di volte più grande di quella realizzabile con gli acceleratori terrestri. La loro rarità aumenta il mistero. Si è pensato che queste particelle possano essere accelerate dai buchi neri supermassivi che si trovano al centro di alcune galassie o durante la formazione di stelle di neutroni le stesse che generano i Gamma Ray Burst (GRB). Un’altra idea più esotica li collega ai difetti topologici dello spazio lasciati subito dopo il big bang che intrappolano enormi quantità di energia e possono decadere in particelle con energia ancora superiore ridotta poi dall’interazione con la radiazione di fondo. Si è proposto di rivelare queste particelle che colpiscono l’atmosfera mediante una coppia di satelliti gemelli detti OWL (Orbiting Wide-angle Light collector) che abbiano a bordo circa 10 mq di fotodetector capaci di produrre una visione stereoscopica di 1 milione di mq di atmosfera ed osservare forse da 500 a 1000 EHECR all’anno come cascate di particelle. Un più modesto progetto è quello italiano di un rivelatore da montare su satelliti già pianificati, detto Airwatch from Space.
Science, 14 Aug 98, Vol. 281, pg. 891 - Dennis Normile - Con una certa frequenza arrivano nella nostra atmosfera raggi cosmici con un’energia 100 milioni di volte più grande di quella ottenibile dai nostri acceleratori. Recentemente il sistema giapponese AGASA (Akeno Giant Air Shower Array) ha registrato un gruppo di eventi tanto energetici da dedurre che non si è raggiunto il limite superiore dell’energia dei raggi cosmici. Un raggio cosmico che arriva con un’energia di 5*10E19 eV ha già perso parte di quella originale nel suo percorso, per accoppiamento con i fotoni del microwave background, e la distanza da cui proviene potrebbe essere anche di 50 megaparsec o 163 milioni di anni luce. Il sistema AGASA è costituito da 111 rivelatori distribuiti in 100 kmq vicino ad Akeno, a circa 120 km ad ovest di Tokyo, quando una particella ad alta energia arriva nell’atmosfera crea una cascata di particelle secondarie rivelate dai detector e, dalla loro analisi, si risale all’energia di partenza ed alla direzione di provenienza. Nel 1990 sono state rivelate 6 particelle sopra i 10E20 eV. La NSF ed il DOE progettano ora di costruire un array di 1600 rivelatori su 3000 kmq di superficie in Argentina che dovrebbe essere 30-40 volte più sensibile del sistema AGASA.
Science, 29 Oct 99, Vol. 286, pg. 893 - Govert Schilling - La scorsa settimana, in un simposio, è stata annunziata la scoperta di un nuovo tipo di radiazioni impulsive ad alta energia simili ai Gamma Ray Burst (GRB), ma costituiti solo da raggi X. Queste esplosioni di raggi X possono essere in relazione ai GRB, qualora il fenomeno cosmico avvenga in una zona dove la materia interstellare è molto densa tanto da assorbire il raggi gamma e lasciar passare quelli X, oppure potrebbe trattarsi di un classe di eventi completamente nuova.
Science, 24 Dec 99, Vol. 286, pg. 2438 - Gary Taubes - La Terra viene inondata speso da nubi di plasma e da campi magnetici provenienti dal Sole che possono esporre gli astronauti ed i passeggeri dei jet commerciali ad alti livelli di radiazione e possono provocare interruzione delle radiocomunicazioni e danni ai satelliti. Nel marzo del 1989 una tempesta solare particolarmente intensa mandò in black-out la rete elettrica in un’intera provincia del Quebec per 9 ore. Nel 1989 si era nel picco di uno dei periodi di attività solare che hanno un ciclo di 11 anni; nel 2000 ci sarà un altro picco. Vi sono tre fenomeni sul Sole che producono queste tempeste. Il fenomeno meno pericoloso è quello dei buchi della corona, cioè le zone della corona che risultano oscure nella banda dell’estremo ultravioletto e dei raggi X; in queste zone il campo magnetico del Sole si apre verso lo spazio e guida verso l’esterno le particelle del vento solare. Con la rotazione i buchi della corona si spostano e possono portarsi in direzione della Terra. Il secondo fenomeno è quello dei flares che emettono fasci di particelle ad alta energia e raggi X che possono essere 1000 volte più intensi del livello di emissione dei periodi normali. I protoni ad alta energia ed i nuclei più pesanti arrivano da 20 minuti ad alcune ore dopo le radiazioni X, sono molto energetici, ma la maggior parte viene deflessa dal campo magnetico della Terra. Il terzo fenomeno è il più violento ed è quello della Coronal Mass Ejection (CME), si tratta dell’eruzione di bolle di gas solari contenenti decine di milioni di tonnellate di materia con campo magnetico che si espandono rapidamente eiettati nello spazio. Quando una CME arriva sulla magnetosfera terrestre, pochi giorni dopo aver lasciato il Sole, in dipendenza del suo orientamento può produrre una massiccia distorsione del campo magnetico terrestre. Campi magnetici indotti rapidamente variabili possono provocare anomalie sulle linee elettriche con sbilanciamenti sulle correnti che provocano l’intervento delle protezioni e l’interruzione dell’energia. Lo Space Environment Center (SEC) della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) tiene sotto controllo questi fenomeni per predirre con anticipo di alcuni giorni le possibili conseguenze. Uno dei mezzi di ossservazione è la sonda SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) lanciata nel 1995 con il Large Angle Spectrometric Coronagraph (LASCO) che crea con un disco un’eclissi artificiale ed osserva la corona per scoprire le CME, altro strumento è l’Extreme Ultraviolet Imaging Telescope che osserva il Sole nello spettro ultravioletto. Un’altra sonda, la ACE lanciata nel 1993 misura la direzione dl campo magnetico prodotto dalle CME per vedere quando questo è opposto a quello terrestre. In questo caso si ha un annullamento del campo e si creano le condizioni per situazioni catastrofiche. La NOAA prevede di mettere nel futuro in orbita un satellite con X-ray imager che possa fornire la mappa a raggi X del Sole ogni pochi minuti 24 ore al giorno e tenere sotto controllo la corona. Le informazioni potranno servire per migliorare i modelli al calcolatore, ma gli eventi eccezionali sono prodotti da meccanismi non lineari che sono imprevedibili.
Science, 19 May 2000, Vol. 288, pg. 1147 - Charles Seife - Una sera dell’ottobre 1991 un astronomo dell’osservatorio Fly’s Eye nell’Utah rivelò con lo High Resolution Detector una cascata di particelle secondarie prodotte da una radiazione cosmica la cui energia fu valutata a 320 exa-elettroni volt (EeV = 10E18 eV). Ora altre osservazioni hanno dimostrato che queste energie non sono una rarità in natura e molte ne sono state trovate approfondendo il mistero sulla loro origine. Gli astrofisici ritenevano che fotoni residui del big bang sopra i 60 EeV producono pioni e non possono sopravvivere per più di 20-50 megaparsec e quindi si aspettavano un rapido cutoff nell’energia dei raggi cosmici sopra questo livello, energie maggiori dovevano provenire da distanze più brevi e si doveva poter risalire alla sorgente. In realtà non c’è questo cutoff e non si trova nessuna sorgente vicina. Anche le supernove per esempio non possono accelerare le particelle più di 1/1000 di EeV. Per il momento si accumulano dati cercando di trovare una risposta.
Science, 5 Jan 2001, Vol. 291, pg. 73 - Günter Sigl - Le particelle dei raggi cosmici (CR) ad alta energia rivelano la loro presenza attraversando l’atmosfera con la pioggia delle particelle secondarie che producono. Già nel 1938 è stato dimostrato che l’energia delle particelle primarie poteva superare i 10E15 eV e recentemente si sono superati i 10E20 eV. L’origine di tali particelle è attualmente un mistero. Si sa che le supernove sono le maggiori sorgenti di CR e oggetti extragalattici come gli active galactic nuclei (AGN) sono le sorgenti più energetiche. Se tutte le sorgenti CR fossero a distanze cosmologiche (parecchie migliaia di Mpc) il loro spettro di energia mostrerebbe un decremento verso i 10E19 eV, ma ciò non viene confermato e significa che si producono a distanze inferiori a 100 Mpc o che fasci di neutrini, che arrivano da distanze maggiori senza attenuazione, diano luogo a queste particelle almeno a distanze di 100 Mpc. Pochi sono gli oggetti cosmici capaci di accelerare particelle cariche a energie di 110E20 eV e l’isotropia delle direzioni di arrivo richiede che molte delle sorgenti devono essere vicine, al di sotto dei 100 Mpc, e non si trovano candidati convincenti. Altra ipotesi è che siano prodotte, invece che da particelle accelerate, dal decadimento di particelle massive generatesi alle origini dell’universo. La teoria della grande unificazione (GUT) prevede l’esistenza di particelle X con masse di 2*10E16 GeV e se la loro vita media è comparabile o più grande dell’età dell’universo, oltre ad essere candidati per la dark matter, possono contribuire al flusso attuale delle CR. In realtà se il tempo di decadimento di queste particelle è inversamente proporzionale alla loro massa dovrebbero essere prodotte in modo continuo ed avere origine dai difetti topologici del primo universo. L’esistenza di particelle neutre con massa più grande dei nucleoni nel campo dei 10 GeV può essere compatibile con un’origine extragalattica senza un limite nello spettro delle energie. Mancando però un modello teorico convincente per la loro origine, un orientamento può venire solo da più accurate misure sulla distribuzione di energia, sulla direzione e tempi di arrivo e sulla loro composizione.
Science, 30 Nov 2001, Vol. 294, pg. 1816 - Govert Schilling - I Gamma Ray Bursts (GRB) sono ancora fra i più misteriosi fenomeni dell’universo. Molti ricercatori concordano che i GRB più comuni, quelli che durano fra un secondo ed un minuto, indicano il collasso catastrofico di una stella in rapida rotazione quando genera un buco nero. Sono invece sconosciuti meccanismi e dettagli dei GRB che durano meno di un secondo. Ad una recente riunione è stato costatato che i GRB sono molto frequenti, se ne verifica uno ogni minuto, ed attraverso di essi si potrebbe studiare la storia dell’universo. Il primo GRB è stato scoperto da un satellite militare nel 1960, ma solo nel 1997 si è osservata l’emissione successiva con la sonda italo-olandese BeppoSAX, questa emissione passava dalla radiazione X a quella ottica e decadeva in settimane e mesi permettendo di identificare la sorgente. Per spiegare l’intensità dei GRB gli astronomi assumono che questa sia concentrata in due direzioni opposte, come due jet, e quindi sono visibili solo se puntano verso la Terra. Analizzando il fenomeno di decadimento nelle varie lunghezze d’onda, gli astronomi hanno dedotto che la larghezza dei due fasci era solo di pochi gradi e l’energia emessa era dell’ordine di quella di una supernova. Poiché questa energia sembra essere simile per tutti i GRB, c’è la possibilità che essi possano servire da candele campioni per le misure astronomiche e che per ogni GRB osservato ce ne siano altri 500 che non si vedono perché orientati in altre direzioni e ne consegue che si ha la nascita di un buco nero ogni minuto. Il fenomeno di decadimento è però osservabile in tutte le direzioni ed il suo studio può rivelare molte cose. Nel passato si pensa che i GRB siano stati più frequenti perché le stelle di prima generazione erano più massive e si producevano più buchi neri; l’osservazione di GRB provenienti da miliardi di anni luce ci fornirebbe informazioni sul numero di stelle a diversi stadi della vita dell’universo. I GRB non danno informazioni sul redshift, ma questo si può ricavare dalle emissioni di decadimento osservate però solo dal 1997. Alcuni astronomi sperano di poter determinare la luminosità reale da alcune proprietà dei raggi gamma: dalla piccola differenza di tempo di arrivo fra i fotoni ad alta e bassa energia e dalle oscillazioni di intensità; così se ne determinerebbe la distanza. Distanza e redshift permetterebbero di misurare ancora come è variata nel tempo la velocità di espansione dell’universo. In pochi anni un gran numero di dati dovranno venire dalla missione Swift della NASA, un osservatorio orbitante per i GRB che sarà lanciato nel 2003, e si aggiungeranno a quelli del satellite HETE-2 (High-Energy Transient Explorer 2) lanciato nell’ottobre 2000.
Science, 8 Feb 2002, Vol. 295, pg. 986 - Tsvi Piran - Molte volte al giorno un breve impulso di raggi gamma (GRB) raggiunge la Terra dallo spazio esterno. L’impulso dura pochi secondi ed arriva da direzioni del cielo casuali. Data la loro breve durata non è stato possibile localizzare la direzione finché il satellite BeppoSAX non scoprì nel 1997 che i GBR erano seguiti da un’emissione di raggi X che durava diversi giorni. La direzione esatta permise agli astronomi di rivelare emissioni ottiche e radio che seguivano per giorni e mesi e, una volta che le emissioni si indebolirono, vennero anche individuate le galassie da cui provenivano. Le misure di redshift delle galassie di provenienza (fino a z = 4,5) dimostravano l’enorme energia associata a questi impulsi, si comprese poi che l’energia era concentrata in un stretto fascio che viene rivelato quando è diretto verso la Terra. Il fascio di raggi gamma viene prodotto da un getto di materia a velocità relativistica che cede energia cinetica; successivamente, rallentando, si espande lateralmente e, con la collisione con la materia circostante precedentemente eiettata, produce altre emissioni (afterglow) dalla banda X a quella radio su fasci sempre più larghi e durate sempre più lunghe. Da questo modello consegue che si devono osservare con maggiore frequenza gli afterglow non preceduti da emissioni gamma quando il fascio non è diretto verso la Terra ed alcune osservazioni lo confermerebbero. L’energia associata ai GRB, se concentrata in fasci di pochi gradi, è di 10E51 erg, molto inferiore a quella emessa dall’esplosione di una supernova e considerazioni energetiche fanno cadere le ipotesi che nel meccanismo di generazioni intervengano stelle supermassive o la fusione di stelle di neutroni. Un’ipotesi è che la sorgente sia in un buco nero rotante con il suo disco di materia che lo circonda. Il getto relativistico di materia è prodotto dall’energia di rotazione del buco nero e da quella gravitazionale della materia che vi precipita. Un’altra conseguenza è che la frequenza dei GRB nello spazio debba essere circa 500 volte più grande di quella osservata e viene valutata come un burst per ogni 100000 anni per galassia. Il nuovo satellite HETE (High Energy Transient Explorer) è dedicato allo studio dei GRB per localizzarli e trasmettere in tempo reale la loro posizione ai telescopi terrestri per la ricerca degli afterglow.
Science, 5 Apr 2002, Vol. 296, pg. 41 - Govert Schilling - Nuove indagini confermano che i Gamma Ray Bursts (GRB) vengano prodotti all’atto di nascita dei buchi neri quando una stella di 10-20 masse solari collassa lanciando getti di materia a velocità vicine a quelle della luce, nello stesso istante scaglia fuori lo strato più esterno in una esplosione di supernova prodotta dal decadimento del nickel radioattivo che avviene però dopo l’emissione del GRB e costituisce l’afterglow (postbrillamento) la cui curva di luce ben si adatta a quella di una supernova; questo è il modello collapsar. Altri astronomi aspettano di studiare meglio lo spettro. Con il satellite ESA XMM-Newton X-Ray Observatory è stato studiato l’afterglow del GBR011211 scoperto dal BeppoSAX l’11 novembre 2001. Nello spettro si sono trovate le tracce di elementi dal silicio al calcio che le stelle producono durante l’esplosione di supernova, ma sembra che la successione degli eventi sia opposta a quella pensata: prima avviene l’esplosione di supernova e pochi giorni dopo l’emissione del GRB. Il nuovo modello è detto di supernova avviene in due tempi: il nucleo della stella che esplode prima collassa in una stella di neutroni che innesca la supernova, il GBR viene emesso successivamente quando la stella di neutroni collassa in un buco nero. Questo ritardo può essere in principio di settimane o anche mesi dopo l’esplosione di supernova, ma le osservazioni indicano un ritardo più breve. Sono ancora necessarie molte osservazioni e si attende il satellite della NASA Swift dedicato ai GRB che dovrà essere lanciato nel 2003.
Science, 21 Jun 2002, Vol. 296, pg. 2134 - Robert Irion - La Pampa Amarilla nell’ovest dell’Argentina avrà tra pochi anni un’area di 3000 kmq coperta da 1600 rivelatori che formeranno un gigantesco osservatorio destinato alle radiazioni cosmiche di alta energia UHECR (Ultrahigh-Energy Cosmic Ray) fino a 100 exa-electron volt (100 EeV = 10E20 eV), energia molto superiore a quella dell’acceleratore Tevatron del Fermilab che è solo di 10E12 eV. Si pianifica anche la costruzione di uno strumento uguale nel deserto di Millard County dell’Utah negli USA. Oggi nessuno sa per certo da dove provengano gli UHECR, le teorie le fanno derivare dai quasar, dalle stelle di neutroni ultramagnetiche o dall’annichilarsi di particelle ultrapesanti di materia oscura. Questo osservatorio da 54 milioni di US$, che sorgerà fra tre anni vicino alla città di Malargue in Argentina, verrà intitolato a Pierre Auger, fisico francese che nel 1938 rivelò per primo una cascata di raggi cosmici con un rivelatore sulle Alpi. Si suppone che ogni UHECR con energia superiore a 40 EeV provenga da distanze non superiori a 100 milioni di anni luce e la loro frequenza è piuttosto bassa: un UHECR per kmq per secolo. Attualmente il più grande rivelatore esistente è lo Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) vicino Kofu in Giappone con 111 rivelatori sparsi su 100 kmq che raccolgono la cascata di particelle, fino a 100 miliardi di muoni, elettroni, fotoni gamma ed altri, prodotti quando uno di questi raggi cosmici colpisce l’atmosfera terrestre. Dal 1990 i fisici dello AGASA hanno rivelato 60 eventi di energia superiore a 40 EeV e di questi 10 superiori a 100 EeV. Un altro osservatorio sperimentale nell’Utah sfrutta invece i lampi di luce ultravioletta prodotti dalla fluorescenza degli atomi di azoto eccitati dalla cascata di particelle; questa tecnica però funziona solo nelle notti chiare e senza luna. Si sono osservati solo due o tre eventi con energia superiore a 100 EeV in più di una decade. Il nuovo Osservatorio Auger combinerà ambedue i metodi, ci saranno 1600 vasche chiuse contenenti 10000 litri di acqua purificata distanti fra loro 1,5 km che riveleranno particelle con energia superiore a 1EeV e 24 telescopi di fluorescenza che riveleranno la presenza di lampi ultravioletti. Naturalmente la combinazione dei dati si avrà quando il cielo è chiaro ed in assenza di Luna, cioè nel 10% del tempo. Quando l’osservatorio sarà completo ci si aspetta di vedere migliaia di eventi con energia superiore a 10 EeV. Si pensa che le particelle siano prodotte da acceleratori naturali come i buchi neri supermassivi nei nuclei delle vicine galassie. Una di queste è il Centauro A, una galassia dell’emisfero sud a 11 milioni di anni luce dalla Terra, ma la direzione apparente dei raggi può essere falsata dalla deflessione prodotta sulle particelle dal campo magnetico intergalattico. Anche all’interno della nostra galassia stelle di neutroni fortemente magnetiche che ruotano migliaia di volte al secondo possono accelerare particelle a 1000 EeV (1 zetta-electron volt). Altri teorici pensano a materia oscura superpesante prodottasi alle origini dell’universo, i WIMPzillas, che occasionalmente collidono e producono particelle di altissima energia o al decadimento di monopoli magnetici, stringhe cosmiche o altri relitti del big bang. Se l’Osservatorio Auger non rivelerà sufficienti UHECR si pensa già ad un osservatorio dallo spazio; l’ESA propone lo Extreme Universe Space Observatory entro il 2008 consistente in un telescopio rivolto verso la Terra a bordo della Stazione Spaziale Internazionale per osservare i lampi di fluorescenza prodotti nell’atmosfera; la NASA propone alcuni anni dopo una missione con due satelliti detta Orbiting Wide-angle Light-collector.
Science, 30 Aug 2002, Vol. 297, pg. 1486 - Daniel N. Baker - Al di sopra della troposfera, il sottile strato di atmosfera che ricopre la terra ed è luogo delle manifestazioni meteorologiche, si trova un’ampia regione che si estende fino allo spazio interplanetario dove si trovano campi magnetici variabili e flussi di particelle energetiche che producono quello che viene indicato come “space weather”. La sorgente dello space weather è il Sole che emette con regolarità nubi di plasma ad alta temperatura, con masse di circa 10E16 g, che vengono indicati come “coronal mass ejection” e si muovono ad una velocità di circa 1000 km/ora. Quando l’emissione solare raggiunge la Terra provoca disturbi a lungo periodo detti tempeste geomagnetiche delle quali le aurore boreali sono le manifestazioni più note. Queste tempeste possono provocare anche danni ai satelliti che orbitano intorno alla Terra ed agli uomini nello spazio e gravi disturbi alle reti di distribuzione elettrica ed alle comunicazioni. Altri effetti sono prodotti dai protoni ad alta energia che colpiscono i circuiti miniaturizzati dei satelliti ed i pannelli solari provocando guasti e disturbi nel software. Gli elettroni a velocità relativistiche possono provocare scariche nei materiali isolanti ed anche quelli a bassa energia provocano il fenomeno di “surface charging” accumulandosi nelle superfici isolanti fino a provocare scariche. Le tempeste dello space weather possono rendere vulnerabili i sistemi di distribuzione e generazione dell’energia. Nel 1989 in Canada, una tempesta geomagnetica ha bloccato il sistema Hydro Quebec per più di 8 ore. Altri effetti si hanno sulla ionosfera terrestre cambiando le lunghezze d’onda a cui sono possibili le comunicazioni intercontinentali e questo è un problema grave per i militari e per le aerolinee che cercano di comunicare nelle rotte transpolari. C’è anche un effetto di riscaldamento della termosfera, il più alto strato neutro dell’atmosfera, questa si espande e può aumentare l’azione frenante sui satelliti in orbita più bassa. Oggi il nostro mondo è più vulnerabile a questi fenomeni data la sua complessità. La prima linea di difesa è quella di usare sistemi più robusti ed in realtà pochi delle centinaia di satelliti in orbita hanno subito danni catastrofici. C’è però la necessità di conoscere di più su questi fenomeni e poter fare delle previsioni sull’arrivo di queste tempeste con diverse ore di anticipo attraverso l’osservazione del Sole. A questo scopo gli USA hanno in funzione lo Space Weather Program ed anche l’Europa, il Giappone e l’Australia stanno sviluppando programmi simili.
Science, 4 Oct 2002, Vol. 298, pg. 43 - Charles Seife - Dieci anni fa nessuno era sicuro dell’esistenza di neutrini di ultra alta energia ed estremamente difficili da rivelare. Ora i fisici sono fermamente convinti che la Terra è continuamente bombardata da neutrini che fanno parte delle particelle secondarie prodotte nell’atmosfera dai raggi cosmici a più alta energia. Molti esperimenti sono stati pianificati, ma per il momento gli scienziati sfruttano i dispositivi progettati durante la guerra fredda ed i dati provenienti dai sistemi di ascolto di sottomarini e da quelli di osservazione dei satelliti spia. Durante la guerra fredda USA e URSS hanno distribuito negli oceani array acustici. Quando i neutrini ad alta energia colpiscono la superficie del mare si genera una debole onda acustica per effetto del riscaldamento ed espansione, ma per produrre un suono distinguibile un neutrino deve trasportare un’energia di 10E16 eV, energia capace di lanciare una formica in aria. Tali particelle possono essere generate da raggi cosmici che trasportano un’energia di 10E20 eV di cui è stata dimostrata l’esistenza. I rivelatori di neutrini attualmente disponibili, come il Super Kamiokande ed il Sudbury Neutrino Observatory, sono troppo piccoli per rivelare l’interazione con la materia di queste particelle ed è necessaria l’osservazione di grandi spazi come il mare e l’atmosfera. Si è così contattato lo Atlantic Undersea Test and Evaluation Center (AUTEC) delle Bahamas che gestisce un array di idrofoni sottomarini per scoprire nella loro massa di dati anche i suoni associabili al passaggio di questi neutrini. Per prima cosa si sta calibrando il sistema con il rumore provocato dall’implosione di piccoli bulbi buttati in mare quando arrivano alla profondità di circa 100 m. Oltre al metodo di rivelazione sottomarina, si sta valutando la possibilità offerta dal satellite FORTÉ (Fast On-orbit Recording of Transient Events) lanciato nel 1997 per il bando delle esplosioni nucleari. Il FORTÉ è dotato di una grande antenna per rivelare l’impulso elettromagnetico emesso durante un’esplosione nucleare; può rivelare anche i fulmini ed i brevi impulsi elettromagnetici prodotti dai neutrini. Nel suo database ci sono 4 milioni di eventi che si stanno analizzando cercando di separare i segnali emessi dai fulmini. Anche se AUTEC e FORTÉ non hanno mai scoperto un neutrino, i fisici avranno dato inizio alla ricerca ed avranno acquisito esperienza sul rumore di fondo del mare e dell’atmosfera.
Science, 28 Jan 2005, Vol. 307, pg. 508 - Robert Irion - Il satellite Swift, dedicato al rilevamento delle esplosioni cosmiche più violente, ha colto nove gamma ray burst (GRB) nei primi 12 giorni di operazione. La NASA ha lanciato Swift il 20 novembre 2004 per indagare sui misteriosi GRB. Quelli che durano più di pochi secondi sono probabilmente emessi quando il nucleo di una stella massiva collassa in un buco nero. Per confermare questo scenario e studiare il meccanismo dell’esplosione gli astronomi devono cogliere questi lampi nei loro stadi iniziali. Swift ruota rapidamente per scoprire i nuovi burst ed inviare le loro coordinate ai telescopi a terra ed ai sistemi automatici. Questa sequenza automatica non era ancora messa a punto quando il 19 dicembre 2004 i due satelliti Swift e INTEGRAL (ESA) individuarono un lampo luminoso che durò 9 minuti, uno dei più lunghi mai visti. I dati raccolti sono in campo ottico ed infrarosso e sono ancora allo studio. Otto giorni dopo uno strano oggetto distante 50000 anni luce ha emesso un straordinario lampo di raggi X ed è stato rivelato da diversi satelliti inclusi INTEGRAL e Swift. Gli astrofisici sospettano che provenga da una magnetar, una stella di neutroni che ruota lentamente ed ha il campo magnetico più intenso che si conosca. Due altre magnetar sono esplose negli ultimi 25 anni, ma quest’ultima è stata 100 volte più intensa. Questo è stato un evento unico ed una prima analisi rivela come un campo magnetico estremo possa fratturare una stella di neutroni. Non tutte le nuove da Swift sono positive. L’alimentatore del sistema di raffreddamento di uno dei telescopi del satellite è andato in avaria dopo il lancio e come risultato il rivelatore è da 25 a 50 °C più caldo di quanto previsto e quindi il telescopio a raggi X è meno sensibile ai burst più deboli, ma si orienterà il telescopio in modo da eliminare l’irraggiamento della Terra. Questo renderà le operazioni più complicate, ma ridurrà lo svantaggio.
Science, 27 May 2005, Vol. 308, pg. 1265 - Brian Schmidt - I Gamma Ray Burst (GRB), o lampi gamma, sono stati scoperti nel 1967 dai satelliti militari americani. La scoperta è stata declassificata nel 1973 e dopo pochi mesi un gran numero di ipotesi sono state pubblicate sulle origini di queste esplosioni cosmiche, più numerose dei lampi rivelati. Da allora le osservazioni hanno permesso una comprensione approfondita del fenomeno, ma rimangono sempre delle domande. Per esempio si sa che i GRB sono connessi alle supernove, ma non è chiaro con quale meccanismo. Nel caso della supernova nota come 2003jd l’esplosione è avvenuta in modo molto asimmetrico e deve aver emesso un jet come quello che produce un GRB, ma non si è visto perché orientato non verso la Terra ed è la prima volta che si è trovata una supernova connessa ad un GRB e non un GRB connesso ad una supernova. La raccolta dati sui GRB ha subito un’evoluzione accelerata con il lancio del Compton Gamma Ray Observatory della NASA che portava uno strumento dedicato ai GRB, il BARSE (Burst and Transient Source Experiment), che ha rivelato più di 8000 lampi gamma prima di finire nel Pacifico nel 2000. Prima del BATSE i modelli dei GRB andavano da collisioni di oggetti nel nostro sistema solare a fusioni di buchi neri ai confini dell’universo. Il BATSE ha indicato che i GRB erano distribuiti in modo uniforme nel cielo provando che erano fenomeni dell’universo distante ma, nonostante la sua sensibilità, il BATSE non riusciva a localizzarne la provenienza se non entro pochi gradi. Nel 1996 venne lanciato il satellite italo-olandese BeppoSAX meno sensibile del BATSE ma, supponendo che radiazioni X meno energetiche accompagnassero il lampo gamma con una maggiore persistenza, fu capace di puntare un rivelatore di raggi X nella direzione del GRB per alcune ore dopo il lampo e riuscì a localizzare la sorgente X con un’accuratezza minore di 1 grado; la precisione fu sufficiente a scoprire successive emissioni ottiche e radio dell’esplosione. Questa strategia fu seguita con il GRB del 28 febbraio 1997 localizzato con il telescopio Herschel delle Canarie in una galassia distante tramite il suo postbrillamento (afterglow) ottico. Un altro evento fu quello dell’8 maggio 1997 localizzato a 7 miliardi di anni luce dalla Terra a metà strada dell’universo visibile e questa enorme distanza implicava un’enorme energia. Il 25 aprile 1998 il BeppoSAX diede un’altra sorpresa; le osservazioni ottiche di un GRB apparentemente normale mostrarono l’esplosione di una giovane stella molto energetica, una supernova di tipo Ic detta 1998bw, alla distanza di 80 milioni di anni luce, 1/100 della distanza tipica dei GRB. La brillantezza ottica era molto alta per la sua distanza, ma tutte le altre emissioni erano di parecchi ordini di grandezza più deboli degli altri GRB. Le supernove Ic si verificano quando stelle di 10-100 masse solari, che hanno proiettato fuori tutto lo strato esterno di idrogeno ed elio, collassano in una stella di neutroni o in un buco nero. La forte velocità di rotazione prodotta dal collasso della stella, secondo i teorici, produce un jet ed un tipico GRB. L’emissione dei residui in espansione appare come quella di una supernova Ic molto energetica che viene chiamata hypernova. Dalla scoperta della 1998bw si è cercato di studiare le connessioni fra GRB e hypernovae con i nuovi satelliti HETE-2 (High Energy Transient Explorer) lanciato nel 2000 e con lo Swift Gamma Ray Burst Explorer lanciato nel 2004. La connessione GRB-hypernova fu confermata direttamente il 29 marzo 2003 quando HETE-2 scoprì un oggetto a distanza ravvicinata e, dopo che l’oggetto si affievolì, i telescopi ottici rivelarono una supernova identica alla 1998bw, ma con un’energia gamma migliaia di volte più grande. La connessione fra GRB e hypernovae sembra sicura, ma ci sono ancora dei punti oscuri. Il jet GRB della 1998bw è molto meno energetico di quello associato agli altri GRB e non c’è accordo sul fatto che uno stesso meccanismo possa produrre la supernova 1998bw ed i più potenti lampi del lontano universo. Inoltre la maggior parte dei GRB-hypernovae non sono diretti verso la Terra, ma se ne dovrebbero rivelare le emissioni radio e queste dovrebbero essere più numerose, ma ciò non si è verificato. Ad ogni modo i prossimi anni promettono di raccogliere un gran numero di nuove connessioni GRB-hypernovae.
Science, 7 Oct 2005, Vol. 310, pg. 37 - Govert Schilling - I lampi di raggi gamma di brevissima durata ed incredibilmente luminosi che hanno sfidato gli scienziati per più di 30 anni sembra che abbiano trovato alla fine una spiegazione. Secondo una serie di articoli comparsi questa settimana su Nature, queste grandi esplosioni cosmiche sembra siano prodotte dalla fusione di stelle di neutroni o buchi neri. Quattro team internazionali di astronomi hanno raggiunto questa conclusione dopo aver osservato all’inizio dell’anno due brevi lampi gamma. I lampi gamma (Gamma Ray Burst) sono stati scoperti per la prima volta negli anni ’60, ma nessuno ne conosceva l’origine né da che distanza provenissero fino al 1977 quando il satellite italo-olandese Beppo-SAX rivelò il postbrillamento (afterglow) luminoso di un lampo gamma che permise di determinare la sua distanza e la sua prodigiosa energia. Da allora furono raccolte un gran numero di osservazioni che hanno convinto gli astrofisici che i lampi più lunghi, intorno a 2 secondi o più di durata, sono l’ultimo grido di stelle massive rapidamente rotanti che esplodono come brillanti hypernovae mentre i loro nuclei collassano in buchi neri. Tuttavia rimaneva misteriosa una grande e distinta popolazione di lampi gamma molto corti, in media da 0,3 secondi di durata. Ora dopo l’osservazione di due brevi lampi gamma, il 9 maggio ed il 9 luglio, rivelati rispettivamente dai satelliti Swift ed HETE-II, il problema è stato risolto. I lampi gamma, che si sono prodotti in galassie relativamente vicine, non hanno mostrato indizi di esplosioni stellari correlate. Data la loro distanza sembrano possedere meno di 1/100 della potenza dei loro cugini di lunga durata. Queste osservazioni sono in perfetto accordo con il modello di una fusione prodotta da due stelle di neutroni orbitanti, a loro volta resti dell’esplosione di stelle massive, e che lentamente spiralizzano fino a riunirsi in un buco nero rilasciando un’enorme energia. I risultati non pubblicati di altri tre brevi lampi gamma hanno confermato queste conclusioni e la comunità degli esperti è convinta di aver risolto il problema. Gli astronomi non sanno ancora distinguere se la fusione interessi due stelle di neutroni o una stella di neutroni ed un buco nero, ma si tratterà di proseguire in uno studio più dettagliato.
Science, 6 Jan 2006, Vol. 311, pg. 30 - Robert Irion - Il 2005 è stato l’anno in cui si sono osservate nel cosmo il maggior numero di esplosioni. I telescopi hanno colto esplosioni una dopo l’altra ed impulsi brevi da remote galassie che sembrano prodotte da collisioni fra due stelle di neutroni o fra una stella di neutroni ed un buco nero. Le scoperte hanno inaugurato il satellite NASA Swift lanciato nel novembre del 2004 per rivelare i lampi di raggi gamma (GRB) insieme ad altri satelliti, telescopi di terra e sistemi robotici di rilevamento. Fra tutte le esplosioni osservate da Swift ed i suoi compagni, quelle che hanno destato più interesse sono state quelle che durano frazioni di secondo, rimaste inspiegabili da 35 anni. Gli astrofisici concordavano sul fatto che i GRB lunghi, da parecchi secondi a minuti, si generavano quando i nuclei rotanti di stelle massive collassavano in un buco nero, ma non c’era una spiegazione per quelli brevi. Per questi GRB gli astrofisici erano favorevoli a pensare alla fusione di stelle di neutroni, prodotte dal collasso di stelle di dimensioni intermedie. Avendo identificato nella Via Lattea molte stelle di neutroni binarie il cui tempo di rivoluzione si andava riducendo ritenevano inevitabile una loro collisione. I telescopi hanno rivelato diversi di questi brevi lampi non accompagnati da esplosioni di supernova e con energie fra 0,1 e 1% di quella dei GRB di lunga durata. Il quarto GRB corto fu osservato il 9 luglio 2005 dal satellite NASA High-Energy Transient Explorer-2 e sembrava diverso dagli altri perché si trovava in una galassia nana che stava creando ancora nuove stelle. Tuttavia anche qui potevano esserci stelle di neutroni binarie molto vicine o anche altre cause. Una frazione ancora sconosciuta di questi lampi può essere provocata dalla fusione di una stella di neutroni con un buco nero, ma dovrebbe essere accompagnata, dopo qualche minuto da emissione di raggi X. Altri meccanismi prevedono binarie formate da una stella di neutroni accoppiata ad una stella normale da cui assorbe materia e può formare un buco nero. Il collasso provoca un GRB breve seguito da un lampo di raggi X. Ora si attende di raccogliere osservazioni di 10-100 di questi lampi per trovarvi differenze rivelatrici dei loro meccanismi. L’osservazione di onde gravitazionali che accompagnano questi lampi potrebbe fornire indicazioni aggiuntive e si attende che entrino in funzione i due sistemi LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), uno in Hanford, Washington, e l’altro a Livingston, Louisiana che hanno raggiunto la promessa sensibilità. Questa deve essere sufficiente a rivelare la fusione di stelle di neutroni fino a 30 milioni di anni luce di distanza e fino a 70 milioni di anni luce se l’angolo di vista è ottimale ed anche di più se viene coinvolto un buco nero. Una esplosione straordinaria fu quella del 2 dicembre 2004 che proveniva da un oggetto distante 50000 anni luce, chiamato SGR 1806-20, un’esotica stella di neutroni con il più intenso campo magnetico mai conosciuto. Si tratta di una magnetar che era già esplosa nel 1979 e nel 1998. A dicembre 2004 però le radiazioni X ed i raggi gamma hanno saturato tutti i rivelatori orbitanti indicando che l’esplosione aveva rilasciato in 0,2 secondi un’energia pari a quella che il Sole emette in 250000 anni. Il modello magnetar, studiato negli anni ’90 indica che si può raggiungere un campo magnetico di 10E16 gauss, da 10000 a 100000 volte più intenso di quello delle normali stelle di neutroni. Le linee di forza di questo campo provocano la disgregazione della stella e l’esplosione di una bomba elettromagnetica che si espande relativisticamente con un lampo di 2 miliardi di gradi kelvin. Si crede che eventi simili in altre galassie producono da 1/5 a 1/6 dei GRB brevi. Così il GRB breve del 2 novembre 2005 è stato prodotto da una magnetar ed alla stessa conclusione si è arrivati per altri eventi ripresi dagli archivi del Compton Gamma Ray Observatory della NASA in funzione fra il 1991 ed il 2000. Nel 2005 Swift ha scoperto GRB dell’era della formazione delle galassie, in particolare il lampo del 4 settembre proveniva da una stella morta quando l’universo aveva solo 900 milioni di anni e quella del 14 agosto aveva un’età cosmica di 1,1 miliardi di anni. Astrofisici e cosmologi desiderano trovarne di più antichi, a pochi centinaia di milioni di anni dal big bang. La prima generazione di stelle, detta Popolazione III era formata da stelle di idrogeno ed elio che hanno prodotto carbonio, ossigeno ed elementi più pesanti fino al ferro iniziando l’evoluzione chimica dell’universo. I modelli suggeriscono che le stelle di Popolazione III erano almeno 100 volte più massive del nostro Sole ed esplodevano come supernove, ma le condizioni fisiche possono aver impedito la formazione di GRB. Una barriera era il massiccio inviluppo di idrogeno che smorzava i jet di raggi gamma ed il rivelatore dello Swift può non essere abbastanza sensibile da rivelare la debole radiazione dei GRB della più antica Popolazione III. I GRB corti sono gli indicatori ideali del primo universo perché sono più brillanti dei quasar a queste distanze ed illuminano la materia nello spazio intermedio, con essi i cosmologi vogliono capire come la radiazione delle più antiche stelle e galassie ha ionizzato la materia del cosmo. Circa il 10% dei GRB rivelati dallo Swift provengono del primo miliardo di anni dell’universo, ma i maggiori telescopi a terra devono essere pronti a raccogliere la loro luce prima che il lampo decada. Ciò non è ancora successo; per il GRB del 4 settembre sono stati necessari 3,5 giorni prima che il telescopio giapponese Subaru da 8,2 m di Mauna Kea, nelle Hawaii raccogliesse la luce residua. Si cercherà di fare meglio in futuro.
Science, 30 Mar 2007, Vol. 315, pg. 1798 - Stefano Covino - I Gamma Ray Bursts (GRB) sono gli oggetti più luminosi dell’universo, ma il preciso meccanismo che provoca il fenomeno è ancora parzialmente sconosciuto. Scoperti per la prima volta nel decennio 1960, vengono ora osservati in tutto lo spettro elettromagnetico e sono stati localizzati a distanze cosmologiche, fino a 10 miliardi di anni luce dalla Terra. Essi sono anche possibili sorgenti di onde gravitazionali, di raggi cosmici ad altissima energia e di neutrini. La descrizione più affermata di questi eventi coinvolge un flusso di energia da stelle massive che si trovano in fase di collasso del loro nucleo o dalla fusione di due oggetti compatti. La successiva interazione del flusso di energia con la materia che circonda l’oggetto genera poi una più debole emissione di lunga durata, detta afterglow (postbrillamento). Uno dei problemi ancora in discussione è di comprendere come si produce il flusso di energia, la sua composizione e la sua dinamica. All’inizio il flusso ha carattere ultrarelativistico, cioè ha velocità maggiore del 99,99% di quella della luce, e questo provoca l’emissione di fotoni di alta energia dalla regione che lo genera. Secondo l’ipotesi di uno scenario dominato dalla materia, l’espansione del flusso è guidato dalla sua energia interna. Un scenario alternativo è che sia guidato dall’energia elettromagnetica e si definisce come dominato dal flusso di Poynting, cioè dal campo elettromagnetico. Questi due scenari differiscono in molti aspetti, ma producono risultati simili. I processi di emissione sono dovuti essenzialmente a radiazione di sincrotrone, cioè alla radiazione emessa dagli elettroni accelerati a velocità relativistiche caratterizzati da un alto grado di polarizzazione. Se è presente un campo magnetico su ampia scala si introducono effetti direttivi rompendo la simmetria sferica del sistema. Indipendentemente dai dettagli del modello, nello scenario dominato dall’energia, nelle prime fasi dell’evento la polarizzazione del flusso dovrebbe essere trascurabile, al contrario, nel caso dello scenario dominato dall’energia elettromagnetica ci sarà all’inizio un flusso fortemente polarizzato al 30-40%. Osservazioni polarimetriche durante i primi minuti dell’evento potrebbero quindi distinguere i due scenari, ma per le enormi difficoltà tecniche di eseguire queste misure su eventi imprevedibili nel tempo e nello spazio, i risultati non sono stati convincenti. Bisogna essere capaci di cominciare le osservazioni con telescopi robotici appena localizzato il GRB dal satellite Swift. Il telescopio di Liverpool da 2 m è stato capace di osservare il GRB 060418 solo dopo 3 minuti la rivelazione. Sono necessarie molte più osservazioni favorevoli ed un modello delle prime fasi di evoluzione per risolvere la questione. Le misure di polarizzazione devono essere inoltre orientate alle frequenze più alte, nella banda X, e nelle zone più vicine alla sorgente dove il campo magnetico deve essere più forte.
Science, 21 Nov 2008, Vol. 322, pg. 1193 - Giovanni F. Bignami - La missione internazionale GLAST diretta dalla NASA, ora chiamata Fermi Observatory, è stata lanciata l’11 giugno 2008 e, messa in orbita, ed ha iniziato a raccogliere dal cielo i raggi gamma. Quattro mesi dopo, il primo importante risultato è stato riportato on-line da A. A. Abdo. Per la prima volta nell’astronomia dei raggi gamma, dall’osservazione di queste radiazioni, è stata scoperta la prima stella di neutroni rotante. Meno di 1000 fotoni raccolti in due mesi hanno dato la prova convincente della sua periodicità di circa un terzo di secondo. La stella non emette sulle lunghezze d’onda radio ed ottiche e la debole emissione in banda X non è pulsata. In conclusione Fermi ha trovato una stella che emette solo raggi gamma, una “gamstar” o una seconda Geminga, come quella così chiamata che ha richiesto 20 anni, dal 1973 al 1993, per comprendere che una non identificata sorgente gamma fosse la sola stella di neutroni rotante ad emettere raggi gamma ed essere invisibile nelle onde radio. La nuova gamstar si trova vicino al centro di CTA1, il residuo diffuso di una supernova esplosa circa 10000 anni fa. L’età della gamstar è stimata dal rallentamento della sua rotazione, consistente con l’essere il resto di questa esplosione. Gli scienziati continuano a trovare pulsar a raggi gamma usando i loro dati radio con l’eccezione di Geminga. Qui sta l’importanza della scoperta del Fermi perché da oggi non saranno necessari i dati radio per scoprire le sorgenti pulsate gamma e si suppone che crescerà il numero delle gamstar. La terza potrà essere la sorgente gamma già scoperta, chiamata 3EG J18335+918 e non accompagnata da onde radio, le altre saranno fra le sorgenti gamma non identificate già molto numerose nella nostra galassia. Le gamstar sono semplici pulsar che emettono raggi gamma su un fascio puntato in una direzione diversa da quella radio che esiste, ma non intercetta la Terra, sono quindi stelle di neutroni con diversa geometria e fisica rispetto alle altre pulsar. Stelle di neutroni e sorgenti gamma sembrano avere molto in comune. La pulsar Crab, prototipo delle stelle di neutroni, emette radiazioni impulsate, dalle onde radio ai raggi gamma di gigaelettroni volt (GeV), raggiungendo il picco di energia a 25 GeV e dopo decade rapidamente.
Science, 14 Aug 2009, Vol. 325, pg. 821 - Jules P. Halpern - La massa di risultati che viene dal Fermi Gamma-ray Space Telescope lanciato l’11 giugno 2008 sta cambiando il modo con cui vediamo le stelle di neutroni. Il principale strumento del Fermi, il Large Area Telescope (LAT), rivela fotoni di energia fra 0,1 e 100 GeV emessi dalle stelle di neutroni ruotanti, note come radio pulsar, dai buchi neri di grande massa nei Blazar, una classe di nuclei galattici attivi, e da altre sorgenti di alta energia. Misurando i tempi di arrivo dei fotoni dalle sorgenti di raggi gamma della galassia, Fermi sta scoprendo nuove pulsar. Sono stati scoperti 16 pulsar di soli raggi gamma, che ruotano fra 2 e 20 volte al secondo, e 8 radio pulsar da millisecondi con emissioni di raggi gamma, che ruotano 200 volte al secondo. Fermi ha scoperto inoltre un’emissione stabile di raggi gamma dal cluster globulare 47 Tucano, una regione che si pensa contenga dozzine di pulsar. Dagli inizi del decennio 1960, è stato fatto uno sforzo teorico per calcolare la struttura delle stelle di neutroni e la loro temperatura di emissione di raggi X. Nel 1962 è nata così la nuova astronomia delle sorgenti a raggi X, oltre al Sole. Nel decennio 1970 sono state scoperte pulsar di sistemi binari, con accrescimento di materia da una stella compagna che le rendono più calde e luminose. L’energia rotazionale delle stella di neutroni è dissipata dall’emissione di onde elettromagnetiche e il periodo delle pulsar si va riducendo nel tempo. L’alta tensione generata dal campo magnetico rotante accelera le particelle ad energie capaci di produrre raggi gamma. Il LAT è il primo telescopio a raggi gamma, grande abbastanza da localizzare da solo le pulsar. Non si tratta di un telescopio convenzionale, perché i raggi gamma non possono essere focalizzati, invece i raggi gamma producono coppie elettroni-positroni in strati di tungsteno alternati a strati di silicio e determinano la direzione da cui provengono le radiazioni. Mentre gli ordinari telescopi vedono una pulsar alla volta, il LAT vede il 20% della sfera celeste e può scandire l’intera volta celeste in 3 ore. Memorizzando la direzione di arrivo dei fotoni di ogni pulsar, può scoprire centinaia di nuove sorgenti a raggi gamma. La maggioranza delle 1800 pulsar conosciute è stata scoperta nelle frequenze radio. LAT può rivelare poche centinaia di fotoni da una tipica sorgente, la periodicità di questi fotoni può essere analizzata per riconoscere una nuova pulsar e così sono state scoperte 16 nuove pulsar rigettando falsi segnali. L’età di una pulsar può essere stimata dividendo l’attuale frequenza di rotazione per la velocità del suo cambiamento. Mentre i fasci radio delle pulsar sono stretti, le emissioni a raggi gamma sono a fascio largo e possono essere viste da più direzioni, questo spiega perché molte pulsar non sono state scoperte nella banda radio. LAT misura anche gli spettri e si deduce che i raggi gamma sono prodotti lontano dalla superficie della stella di neutroni. Lo spin aumenta durante il processo di accrescimento da una stella compagna e poi molta energia è dissipata con l’emissione dei raggi gamma. Fermi ha ritrovato circa 20 giovani radio pulsar già note. Il suo prossimo obiettivo è di trovare pulsar da millisecondi senza emissioni radio, più difficili per la loro rapida rotazione. La frontiera delle energie di TeV è la più recente, ma probabilmente non l’ultima, nella quale sono implicate le pulsar, e ci saranno molte interessanti novità.