1. I raggi gamma

Il percorso "Raggi gamma" presenta una breve introduzione all’astrofisica gamma, la radiazione elettromagnetica più energetica che ci raggiunge dalle profondità dell’Universo. Lo studio di questa radiazione, svolto con potenti telescopi in orbita come il rivelatore Fermi, ci aiutano a capire la natura ed i meccanismi di funzionamento di oggetti lontanissimi da noi, sia nella nostra che in altre galassie. I raggi gamma nello spazio furono osservati per la prima volta negli anni ‘60 dalla costellazione di satelliti militari americani VELA, progettati per monitorare possibili test nucleari non autorizzati nell’atmosfera terrestre. Grazie a questi satelliti “non scientifici” si è però scoperto che i raggi gamma provengono da oggetti astrofisici molto lontani dalla Terra, sia nella nostra Galassia (come pulsar, resti di Supernova, etc.) che al di fuori (come nuclei galattici attivi, gamma ray burst, etc.).

percorso di Elisabetta Bissaldi, Francesco de Palma, Leonardo Di Venere e Fabio Gargano

Quando si parla di raggi gamma a molti viene in mente il timido Dr. Bruce Banner che, investito da un'esplosione gamma, si trasforma nell’iracondo e verde Hulk. A volte il mondo dei fumetti non è poi così distante dalla realtà: vedremo infatti come i raggi gamma siano un modo per studiare fenomeni immensi e violenti, proprio come Hulk, che avvengono nelle profondità del nostro Universo.

Per capire i raggi gamma, è importante comprendere lo spettro elettromagnetico. La luce che vediamo è in realtà solo una piccola parte della quantità totale di luce che ci circonda. Lo spettro elettromagnetico viene utilizzato per descrivere l'intera gamma di luce che esiste.

Fig.1 Lo spettro elettromagnetico

La luce è composta da campi elettrici e magnetici alternati che si propagano sotto forma di onde elettromagnetiche. Tali onde possono essere classificate in base alla frequenza (numero di onde che passano da un punto in un secondo) o alla lunghezza d'onda (la distanza fra due picchi successivi di una stessa onda). Maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d'onda. Lo spettro varia dalle frequenze più basse, tipiche delle onde radio e delle microonde, alle frequenze medie della luce infrarossa, ottica (visibile) e ultravioletta, alle più alte frequenze dei raggi X e dei raggi gamma.

I raggi gamma di cui ci occuperemo sono milioni di volte più energetici della luce visibile. Inoltre, va ricordato che un’onda elettromagnetica ha una natura duplice, sia ondulatoria che corpuscolare: l'energia di un’onda è distribuita in “pacchetti discreti”, i cosiddetti fotoni.

Fig.2 Onda elettromagnetica

Di solito per indicare l’energia dei raggi gamma si usa una unità di misura chiamata elettronvolt. Un elettronvolt è un'unità di energia, particolarmente utilizzata nei processi atomici e nucleari, e rappresenta l'energia fornita ad un elettrone quando è accelerato attraverso 1 volt di differenza di potenziale elettrico. L'abbreviazione di elettronvolt è eV. La luce visibile ha un'energia da 1 a 3 eV.

Lo spettro elettromagnetico offre agli scienziati una varietà di modi per visualizzare l'Universo. Come mostrato nella figura sottostante, telescopi in grado di osservare a diverse frequenze di luce offrono diverse prospettive della nostra Galassia, la Via Lattea, fornendo un quadro più completo dei fenomeni che avvengono al suo interno.

Fig.3 Immagini multifrequenza della Via Lattea

La maggior parte della luce che siamo abituati a vedere viene emessa da oggetti caldi ed è conosciuta come radiazione termica. Più calda è la fonte di questa radiazione, maggiore è la frequenza della luce prodotta. Tuttavia, non è possibile che gli oggetti si surriscaldino abbastanza da produrre raggi gamma; questi devono essere prodotti da un meccanismo non termico. I meccanismi si basano spesso sulla presenza di particelle subatomiche ad alta energia prodotte da un qualche tipo di acceleratore di particelle cosmiche.

Le particelle accelerate si sviluppano in ambienti “speciali” in cui una piccola frazione delle particelle può assumere una frazione "non equa" dell'energia disponibile. In un tale sistema, un piccolo numero di particelle può essere accelerato molto vicino alla velocità della luce e trasportare una frazione significativa dell'energia disponibile. Poiché l'energia non è più condivisa più o meno equamente tra le particelle, come nel caso di un ambiente caldo "normale", questi processi vengono definiti processi non termici.
Questi ambienti speciali sono solitamente associati ad eventi violenti come esplosioni o potenti getti di materiale prodotto vicino ai giganteschi buchi neri al centro delle galassie. Per questo motivo, i raggi gamma possono essere utilizzati per tracciare eventi violenti nell'Universo.