RAGGI GAMMA

2. Un osservatorio per raggi gamma: Il satellite Fermi

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

Il telescopio spaziale Fermi della NASA, lanciato l’11 giugno 2008, è attualmente il più grande osservatorio di raggi gamma nello spazio. I suoi due strumenti, chiamati Large Area Telescope (LAT) e Gamma-ray Burst Monitor (GBM), ci mostrano il cielo nei raggi gamma in modo più dettagliato che mai.

 

fermi 2

Fig.1 La missione Fermi - Informazioni generali

Il LAT rileva i fotoni con energie che vanno da 20 milioni di elettronvolt (MeV) a oltre 300 miliardi di elettronvolt (GeV). La parte più estrema della banda energetica osservata da LAT era scarsamente esplorata prima dell’avvento del satellite Fermi. Solitamente, LAT scansiona l'intero cielo ogni tre ore, consentendo agli scienziati di monitorare rapidamente le sorgenti gamma in rapida variazione.

Per rivelare i raggi gamma, il LAT di Fermi si basa sulla famosa equazione di Einstein E=mc2, che esprime una relazione fondamentale tra energia e materia. Lo strumento contiene nella parte superiore, denominata il tracciatore, densi fogli di tungsteno intervallati a strati di silicio. Quando un raggio gamma entra nella LAT, viaggia attraverso queste lamine fino a quando non passa vicino a un atomo di tungsteno. L'interazione trasforma il raggio gamma in un elettrone e la sua controparte di antimateria, un positrone. Gli scienziati chiamano questo processo «produzione di coppie». Elettrone e positrone continuano quindi il loro percorso attraverso lo strumento (vedi animazione), che è così in grado di ricostruire la direzione originale del raggio gamma entrato nello strumento, e quindi di determinare la posizione della sorgente nel cielo.

 

folmato elettrone positrone

Fig.2 Produzione di coppie nel tracciatore

Ref. https://www.youtube.com/watch?v=lin75TTmQHA

Ogni volta che l’elettrone e il positrone si muovono attraverso uno strato di silicio, vi depositano un po' di energia, e questa energia viene poi tradotta in segnali elettrici. Infine, queste particelle depositano la maggior parte della loro energia in un denso rivelatore chiamato calorimetro, costituito da barre di ioduro di cesio, che si trova sotto il tracciatore. Sommando l'energia registrata mentre le particelle si muovevano attraverso il tracciatore ed il calorimetro, gli astrofisici possono quindi ricavare l'energia complessiva del raggio gamma arrivato.

 fermi 3

Fig.3 Strumenti del Large Area Telescope

Per ideare, progettare, realizzare e mantenere un esperimento come Fermi è necessaria una grande collaborazione internazionale, che comprende agenzie spaziali di vari paesi, così come numerosi istituti di ricerca e università. Tra i paesi che hanno attivamente partecipato alla progettazione e costruzione dello strumento LAT ci sono gli Stati Uniti, l’Italia, la Francia, il Giappone, e la Svezia. Uno dei principali contributi italiani alla costruzione di Fermi è l’aver assemblato il tracciatore del LAT. Inoltre, gli scienziati italiani continuano a essere strettamente coinvolti con lo strumento e i risultati che produce.

Lo strumento secondario di Fermi, il GBM, è stato progettato per catturare eventi “transienti” nei raggi gamma, ovvero eventi di durata estremamente breve e che possono avvenire in punti imprecisati del cielo. Il GBM è composto da 14 rivelatori situati su due lati del satellite Fermi. Questi rilevatori consentono al GBM di osservare l'intero cielo non bloccato dalla Terra, nonché la Terra stessa.

I rivelatori GBM sono costituiti da cristalli densi detti scintillatori e sono di due tipi diversi.  Gli scintillatori assorbono i raggi gamma ed emettono a loro volta luce visibile, che può essere rilevata da opportuni sensori posti sotto i cristalli. Dodici dei quattordici rivelatori sono scintillatori di ioduro di sodio (NaI) in grado di localizzare e caratterizzare l'emissione di raggi gamma a bassa energia (da 8 keV a 1 MeV). Gli altri due rivelatori sono scintillatori di germanato di bismuto (BGO) e sono sensibili ai raggi gamma di media energia (da 250 keV a 40 MeV).
I 12 rilevatori GBM a bassa energia sono tutti angolati in direzioni diverse e quando è registrato un evento transiente, le intensità leggermente diverse osservate in ciascuno dei rivelatori consentono di determinare il punto nel cielo da dove provengono i raggi gamma. Tali segnali gamma possono provenire da una gran varietà di sorgenti, tra cui lampi di raggi gamma, i brillamenti solari, le esplosioni di stelle “magnetar” e persino lampi di raggi gamma prodotti da forti temporali sulla Terra.

icona interattivoEsercizio interattivo

I dati di Fermi-LAT sono pubblici e sono scaricabili dal Fermi Science Support Center (FSSC, https://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/), il sito dell’esperimento Fermi curato dalla NASA e dai ricercatori della collaborazione Fermi sparsi in tutto il mondo.

Svolgendo un semplice esercizio, disponibile a questo link, potrete scaricare dei piccoli file di dati, esplorarne il contenuto e visualizzare alcune delle informazioni in essi contenute. L’esercizio viene svolto tramite un foglio di lavoro (notebook) messo a disposizione da Google Colab e utilizzando il linguaggio di programmazione python, tra i più diffusi nella comunità degli astrofisici.

In particolare, potrete scaricare ed esplorare il file di navigazione del satellite (che gli addetti ai lavori chiamano sinteticamente FT2), contenente tutte le informazioni sulla posizione del satellite lungo l’orbita intorno alla Terra e sul suo puntamento, ovvero sulla porzione di cielo che il satellite ‘osserva’. Nella prima parte dell’esercizio, visualizzerete i dati sotto forma di tabella.

Successivamente potrete visualizzare la traiettoria che il satellite compie tramite dei grafici, che rappresentano le sue coordinate (latitudine, longitudine e altitudine). Potrete notare come il satellite compia un’orbita equatoriale, in quanto la sua latitudine non va mai sopra i 25°N e mai sotto i 25°S. Purtroppo, quindi, il satellite Fermi non transita sopra le nostre teste in Italia! La sua altitudine è circa costante, attualmente intorno al valore di 530 km. In realtà, all’inizio della missione (circa 12 anni fa), l’altitudine era intorno a 550 km ed è lentamente diminuita fino al valore attuale. Ma non c’è da preoccuparsi, il nostro satellite non ci cadrà in testa!

Infine, potrete visualizzare un’immagine del cielo osserva da Fermi tramite i raggi gamma, che i fisici chiamano “Sky map”, ovvero mappa del cielo appunto, simile a quella visualizzata qui sotto. Su questa mappa osserveremo la direzione di puntamento del satellite al passare del tempo.

I dettagli dell'analisi sono indicati passo passo nel Google Colab.

mappa fermi

Mappa del cielo gamma visto da Fermi-LAT. Ref. FSSC https://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/

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Ultima modifica: 28 maggio 2018

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