La nebulosa del granchio. Foto: Nasa

Il telescopio ASTRI-Horn ha osservato nei raggi gamma alle energie del TeV la Nebulosa del Granchio. Si tratta della prima osservazione di una sorgente celeste nei raggi gamma alle altissime energie rilevata da un telescopio a luce Cherenkov per la rilevazione di raggi gamma che adotta l’innovativa configurazione a due specchi.

La Nebulosa del Granchio è quanto rimane di una supernova esplosa nel 1054 d.C. e presenta al centro una stella di neutroni. È stata osservata a tutte le lunghezze d'onda da quella radio fino ai raggi gamma

Trent’anni fa dopo la prima osservazione storica della Nebulosa del Granchio alle energie dell’ordine del TeV (Teraelettronvolt, 10¹² eV) ha aperto l'era dell'astronomia gamma di altissima energia con la tecnica Cherenkov. Oggi è stato raggiunto un altro importante traguardo in questo campo. Il telescopio Cherenkov ASTRI-Horn, basato sull'innovativa configurazione ottica aplanatica a doppio specchio Schwarzschild-Couder e dotato di una camera altrettanto innovativa, ha rilevato per la prima volta la Nebulosa del Granchio alle energie dette “del TeV” (circa mille miliardi di volte l'energia della luce visibile), dimostrando la fattibilità di queste nuove tecnologie. Nel 1989, la prima osservazione della Nebulosa del Granchio alle energie del TeV era stata ottenuta con il telescopio americano a singolo specchio Whipple. L’astronomia gamma ha portato alla rilevazione di circa 200 sorgenti da parte di altri strumenti a terra come HESS, MAGIC e VERITAS e ha aperto la strada alla prossima generazione di telescopi gamma: il Cherenkov Telescope Array (CTA). 

Il futuro Osservatorio CTA sarà il principale osservatorio a livello internazionale per l'astronomia a raggi gamma ad altissima energia e sarà reso completamente operativo nel prossimo decennio. Sarà inoltre il primo osservatorio astronomico per raggi gamma da terra aperto alle comunità di fisica astronomica e delle particelle di tutto il mondo.L’Osservatorio CTA, coprirà un vastissimo spettro energetico (da 20 GeV a 300 TeV) osservando tutto il cielo dai due siti in cui sarà dislocato (uno nell’emisfero nord, a La Palma, Isole Canarie ed uno in quello sud, a Cerro Paranal in Cile) utilizzando circa 120 telescopi suddivisi in tre classi: i telescopi di classe media (con specchio con diametro di 12 m) copriranno la gamma di energia di base della CTA (da 100 GeV a 10 TeV) mentre i Telescopi di grandi dimensioni (23 m) e quelli di piccole dimensioni (4 m) sono previsti per estendere la gamma di energia inferiore a 100 GeV e superiore a 100 TeV, rispettivamente. Il telescopio ASTRI-Horn è uno dei tre progetti proposti per la realizzazione dei telescopi di classe 4m che sono stati realizzati a livello di prototipo e ora in fase di caratterizzazione e qualifica. 

"CTA ha esplorato la tecnologia a doppio specchio sin dall'inizio del progetto - afferma Federico Ferrini, direttore dell'Osservatorio internazionale CTAO - Il risultato ottenuto dal telescopio ASTRI-Horn è molto incoraggiante e conferma il potenziale di avanzamento tecnologico per l'astronomia Cherenkov". 

Rendering del sito sud dell’Osservatorio internazionale per l'astronomia a raggi gamma CTA. Foto: CTA/G. Pérez, IAC, SMM

Le osservazioni della Nebulosa del Granchio sono state condotte tra il dicembre 2018 e il gennaio 2019, durante la fase di verifica del telescopio ASTRI-Horn, per un tempo di osservazione totale di circa 29 ore. Il risultato di questa osservazione ha consentito di dimostrare definitivamente l’efficacia dei telescopi a due specchi aprendo una nuova era per l’astronomia in raggi gamma con tecnica Cherenkov. 

"Il risultato ottenuto da ASTRI-Horn rappresenta un traguardo importante, ottenuto nell’ambito delle tecnologie per l’astronomia in raggi gamma da Terra. Dimostra che la configurazione a doppio specchio proposta originariamente dal grande astrofisico tedesco, Karl Schwarzschild, funziona in modo egregio e apre nuove frontiere osservative nell’ambito dell’astronomia in raggi gamma - afferma Giovanni Pareschi, astronomo dell'INAF-Milano e Principal Investigator del progetto ASTRI- Con i telescopi a due specchi è infatti possibile ottenere un campo visivo molto ampio pur mantenendo una configurazione molto compatta. Ciò permette l’uso di sensori innovativi a pixel piccolo e, in futuro, di osservare i raggi gamma di energia più alta, fino a qualche centinaia di TeV. L’utilizzo scientifico di telescopi a grande campo è di importanza fondamentale per l’astronomia gamma". 

Il telescopio ASTRI-Horn si trova presso la stazione osservativa dell'osservatorio astrofisico dell'INAF di Catania, a Serra La Nave, sull'Etna. Foto:ASTRI/INAF.

Il telescopio Cherenkov ASTRI-Horn prende il nome dall’astronomo italiano Guido Horn d'Arturo, che per primo propose nel secolo scorso la tecnologia degli specchi a tasselli in campo astronomico. È installato a Serra La Nave, alle pendici del Monte Etna, ed è un prototipo avanzato per 70 dei 120 telescopi di CTA, i cosiddetti Small Size Telescopes. 

Il telescopio adotta per la prima volta una configurazione ottica detta di Schwarzschild-Couder a doppio specchio, che permette di ottenere un campo di vista molto grande, di circa 10 gradi di diametro. I due specchi sono posizionati in asse, così da poter riflettere e focalizzare la luce e “fotografare” in modo omogeneo, senza distorsioni, una regione di cielo molto estesa, al contrario di altri telescopi che sono necessariamente limitati nel loro campo di vista. Il telescopio ASTRI-Horn è inoltre dotato di una innovativa camera per raccogliere le immagini, che fa uso di nuovi sensori al silicio ed è dotata di un'elettronica di lettura molto veloce in grado di registrare i brevissimi lampi di luce. 

Il progetto ASTRI è guidato dall'Istituto nazionale di Astrofisica (INAF), con il sostegno del ministero dell’Istruzione, dell’università e della ricerca (MIUR), con la collaborazione delle università di Padova, Perugia e Roma Tor Vergata e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e la partecipazione della Universidade de São Paulo e FAPEST in Brasile e la North-West University in Sud Africa. 

Come funziona un telescopio Cherenkov?

Poiché i raggi gamma non raggiungono mai la superficie terrestre, questi strumenti utilizzano la rivelazione della cosiddetta luce Cherenkov che si genera nell'interazione dei raggi gamma con l'atmosfera. I raggi gamma di alta energia, entrando in contatto con l’atmosfera terrestre producono cascate di particelle subatomiche altamente energetiche che possono viaggiare a velocità superiore a quella della luce nell’aria, dando luogo a un debole e brevissimo (dell’ordine del miliardesimo di secondo) lampo di luce blu. Questo è in breve il cosiddetto “effetto Cherenkov”. Dall’analisi delle immagini ottenute si ricavano informazioni astrofisiche sui raggi gamma primari e l’immagine in raggi gamma delle relative sorgenti cosmiche. È questa in sintesi la tecnica detta “Imaging Atmospheric Cherenkov Technique” (IACT). Per questo tipo di telescopi sono state adottate finora configurazioni ottiche semplificate che prevedono un solo specchio in cui la luce viene riflessa per essere catturata direttamente dalla camera di rilevazione.