Patrizia Caraveo

Patrizia Caraveo

Dic 6, 2017

Dal cielo alla terra, dai raggi gamma ai muoni | La bella storia di ASTRI alle pendici dell’Etna

Immaginiamo di puntare il telescopio verso il vulcano, inclinandolo fino ad essere più o meno orizzontale

Una delle soddisfazioni più grandi per uno scienziato è rendersi conto che la tecnologia che ha contribuito a sviluppare per un determinato scopo può essere usata anche in altri ambiti, totalmente diversi ma non meno interessanti. E’ quello che sta succedendo all’Osservatorio di Catania, a 2000 metri di altezza nel parco dell’Etna, dove un telescopio nato per “vedere” i raggi gamma di altissima energia potrebbe essere riconvertito alla vulcanologia. La storia merita di essere raccontata perché spazia dall’Universo profondo alle profondità delle Terra.

La radiazione più energetica

Tutto nasce dal desiderio degli astronomi di studiare la radiazione più energetica che si conosca, prodotta dai corpi celesti nel corso degli eventi più violenti che riusciamo a immaginare: materia inghiottita da buchi neri, esplosioni di stelle di grande massa, fusione di due stelle di neutroni.  Questi fenomeni estremi producono particelle accelerate ad energie molto più alte di quelle che riusciamo a raggiungere negli acceleratori terrestri e queste, a loro volta, producono raggi gamma di altissima energia.  I raggi gamma sono fotoni trilioni di volte più energetici della luce visibile, ma si comportano allo stesso modo. Si propagano in linea retta da distanze siderali e raggiungono, più o meno indisturbati, l’atmosfera della Terra che, per nostra fortuna, è per loro un ostacolo insormontabile.

…quella luminescenza bluastra

Una volta penetrati nell’atmosfera, interagiscono con gli atomi che trovano sul loro cammino e producono una cascata di particelle secondarie molte delle quali si muovono a velocità superiore a quella della luce nell’aria (anche se la loro velocità rimane sempre minore di quella della luce nel vuoto). Nel 1934, il fisico russo Pavel Cherenkov notò che questo fenomeno produce una brevissima  luminescenza bluastra, concettualmente simile al boato sonico che accompagna il superamento della velocità del suono: è quella che chiamiamo luce Cherenkov. Ovviamente i nostri occhi non possono vedere i lampi di luce bluastra prodotti dai raggi gamma celesti poiché si tratta di fenomeni brevissimi (durano pochi miliardesimi di secondo) e molto deboli (meno di un decimillesimo del fondo del cielo notturno). Per rivelare il fuggevole segnale ci vogliono grandi telescopi e strumenti straordinariamente veloci e sensibili.  Noi, all’Istituto Nazionale di Astrofisica, abbiamo costruito il prototipo di un nuovo tipo di telescopio per la luce Cherenkov.

ASTRI e l’Etna

L’abbiamo chiamato ASTRI e l’abbiamo montato sulle pendici dell’Etna perché volevano potere metterlo alla prova in condizioni ambientali non facili, sotto l’abbondante neve invernale e con la polvere abrasiva che il vulcano produce in continuazione.  Prima di tutto bisognava controllare la robustezza degli specchi, costruiti con un metodo innovativo, per ridurre il costo. Si parte da una sottile lastra di vetro della forma desiderata (nel nostro caso sono esagoni) che viene incurvata e “messa in forma” per diventare un tassello della superficie concava di un grande specchio. Il vetro viene irrigidito con una struttura a nido d’ape di alluminio dietro alla quale viene applicata un’altra lastra di vetro sottile, in modo da formare un sandwich leggero ma molto robusto. La superficie della prima lastra di vetro viene ricoperta da uno strato riflettente. Un delicato processo di incollaggio sigilla i bordi del tassello e lo rende impenetrabile all’acqua e all’umidità atmosferica. Dopo due inverni possiamo dire che gli specchi hanno mantenuto le loro promesse e forniscono bellissime immagini dei lampi di luce Cherenkov.

Ispezione notturna al telescopio prima di iniziare le osservazioni

Muografia

Avere un rivelatore di luce Cherenkov a poco più di un km dalla principale bocca eruttiva dell’Etna ha fatto pensare ad un utilizzo diverso del nostro telescopio che, invece di essere puntato verso il cielo, potrebbe essere puntato verso il vulcano. In questo caso si tratterebbe di utilizzare le particelle per misurare il riempimento dei condotti magmatici e permettere di prevedere eventuali eruzioni.  Il metodo si chiama muografia ed è concettualmente simile alla radiografia, ma, invece dei raggi X, utilizza i muoni, particelle molto penetranti che vengono prodotte dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera. 

Immaginiamo di puntare il telescopio verso il vulcano, inclinandolo fino ad essere più o meno orizzontale

Il telescopio verso il vulcano

Ovviamente non potremo osservare i raggi gamma, che vengono dall’alto,  ma piuttosto potremo vedere la luce Cherenkov prodotta dai muoni che hanno attraversato indenni la montagna senza essere fermati dalla roccia. La fisica della particelle ci dice che la probabilità che il muone sia fermato è tanto maggiore quanto più alta è la quantità di materia che ha incontrato. Se nella struttura che stiamo esaminando ci sono dei buchi, questi lasceranno passare più particelle e noi, contando le particelle in corrispondenza di diverse posizioni, ci potremo accorgere della presenza dei buchi e anche mappare la loro forma. E’ quello che è successo poche settimane fa con la scoperta della camera segreta lunga 30 m nella grande piramide di Cheope. Gli egittologi hanno usato rivelatori convenzionali di muoni ma noi pensiamo di poter fare molto meglio, grazie al nostro telescopio riconvertito. Una volta che avremo finito i test ed avremo rivelato le prime sorgenti gamma celesti, inizieranno le osservazioni geofisiche.  Sarebbe il primo telescopio cielo-terra mai realizzato.