Il satellite italiano BeppoSAX: un lampo sul mistero dei Gamma-Ray bursts

Per più di un quarto di secolo un grande mistero ha accompagnato l’Astrofisica. Una volta al giorno nel cielo scocca un lampo di raggi gamma. Ovviamente non ci riferiamo ai fenomeni di origine atmosferica, bensì ad un fenomeno astronomico che caratterizza il cielo nella regione dei raggi gamma: i cosiddetti Gamma-ray bursts (GRB). La storia della loro scoperta è piena di fascino. Siamo negli anni '70, il periodo della guerra fredda. Gli Stati Uniti lanciano una serie di satelliti, denominati Vela, dedicati a monitorare gli esperimenti nucleari sovietici. Durante un'esplosione nucleare si ha una copiosa emissione di raggi gamma: i satelliti Vela portano quindi degli strumenti dedicati a scoprire e localizzare flash di radiazione gamma. Con stupore degli addetti, si scopre che diversi flash gamma non provengono dalla Terra, ma dal cielo. La notizia rimarrà segreta per alcuni anni finchè, aperti gli archivi agli scienziati, la scoperta fu annunciata nella letteratura specializzata nel 1973.

Numerosi esperimenti a bordo di satelliti di diverse nazioni sono stati da allora dedicati allo studio di questi fenomeni astrofisici. Tra gli esperimenti più importanti ricordiamo BATSE (Burst And Transient Source Experiment) a bordo del satellite americano Compton Gamma Ray Observatory. Tutti questi esperimenti hanno raccolto un'enorme messe di dati, ma hanno mancato nel fornire l’informazione chiave del fenomeno: ovvero una stima diretta della distanza. Vedremo in seguito come con BeppoSAX ciò sia diventato possibile. Illustriamo ora brevemente lo stato della conoscenza prima di BeppoSAX.

I Gamma-ray bursts sono emissioni improvvise di radiazione gamma, la cui durata è molto breve: tipicamente il fenomeno dura da 10 millisecondi a circa 100 secondi. La loro posizione nel cielo è completamente casuale e impredicibile, e non si ha nessuna evidenza certa di ripetizione dalla stessa posizione. In altri termini, qualunque sia la natura del fenomeno, esso non si ripete, indicando un'origine catastrofica dell’evento.

La mancanza di un'indicazione conclusiva della distanza ha portato ad una proliferazione dei modelli teorici. Si pensi che al 1994 erano già stati pubblicati più di cento diverse ipotesi sulla loro origine. Ciò non deve tuttavia sorprendere quando si consideri che la completa indeterminazione della distanza faceva porre i Gamma-ray bursts in un intervallo di distanze che, a partire dalle vicinanze del sistema solare, e passando per la nostra galassia (origine galattica), arrivava fino a distanze cosmologiche (origine extragalattica). l’indeterminazione sulla luminosità associata ai Gamma-ray bursts era perciò di più di 20 ordini di grandezza!

Le misure effettuate da BATSE hanno sfrondato l’intervallo di incertezza limitandolo a soli 8 ordini di grandezza, corrispondente a distanze da 100 kiloparsec (1 parsec equivale a 3,26 anni luce) a diversi Gigaparsec. Esso ha infatti dimostrato che la distribuzione nel cielo dei Gamma-ray burst è isotropa. Ciò ha portato, ad esempio, ad escludere i modelli che associavano i Gamma-ray burst a popolazioni di oggetti associate con il piano galattico.

In mancanza di una misura diretta della distanza dell’ipotesi extragalattica, pur spiegando meglio di quella galattica molti degli aspetti osservati nei Gamma-ray burst, rimaneva un'ipotesi. Ma perché è così difficile determinare la distanza di questi fenomeni? La determinazione di una distanza passa essenzialmente per l’identificazione di una controparte ottica su cui sia possibile, tramite studi spettroscopici, identificare righe di assorbimento e/o emissione di elementi noti. A causa dell’espansione dell’Universo oggetti più distanti si muoveranno a velocità maggiori rispetto a noi. Ciò provoca, per effetto Doppler, lo spostamento verso il rosso delle righe di emissione e/o assorbimento; tale spostamento (redshift) permette quindi la misurazione della distanza delle sorgenti. Il problema dell’identificazione della controparte risiede nel fatto che i Gamma-ray burst durano pochi secondi ed emettono primariamente nei raggi gamma. In questa regione dello spettro gli strumenti hanno una risoluzione spaziale molto limitata, tipicamente dell’ordine di diversi gradi. In un'area di cielo così grande è virtualmente impossibile identificare qualunque candidato, a causa dell’enorme numero di sorgenti presenti. Aree più piccole sono state ottenute su una serie limitata di eventi, ma sempre con molto ritardo. Le osservazioni con telescopi ottici ed X, effettuate dopo molte settimane mesi dal Gamma-ray burst non hanno mai portato ad una identificazione di oggetti che potessero essere associati con certezza con il Gamma-ray burst.

Dopo le scoperte di BeppoSAX sappiamo perché ed a posteriori il motivo è evidente. Essendo fenomeni transienti, l’emissione che segue il fenomeno del Gamma-ray burst tende ad affievolirsi molto velocemente e la debole sorgentina sarà dispersa nella miriade di oggetti deboli presenti nella scatola di errore. La ricerca della controparte richiede pertanto che due condizioni siano verificate simultaneamente: una localizzazione precisa del Gamma-ray burst (al più qualche minuto d'arco) seguita da una osservazione rapida di quella regione di cielo. Nessuno degli esperimenti precedenti a BeppoSAX ha mai conseguito queste condizioni.

BeppoSAX è il Satellite per Astronomia X della Agenzia Spaziale Italiana (ASI) a cui partecipa anche l’Agenzia Spaziale olandese (NIVR). Il progetto e la gestione scientifica della missione è di un consorzio di Istituti, in gran parte del CNR, che comprende: Istituto di Astrofisica del CNR (Roma), Istituto di Fisica Cosmica del CNR (Milano), Istituto di Studio e Tecnologie delle Radiazioni Extraterrestri del CNR (Bologna), Istituto di Fisica Cosmica con Applicazioni all’Informatica del CNR (Palermo), Università di Ferrara, Space Science Department dell’ESA (Noordwijck), Space Research Organization Netherlands (Utrecht).

I prime contractors del satellite e del sistema di operazioni a terra sono rispettivamente Alenia Spazio e Telespazio. SAX è stato lanciato da Cape Canaveral il 30 aprile del 1996; dopo il lancio è stato denominato BeppoSAX in onore di Giuseppe (Beppo) Occhialini, uno dei padri dell’Astrofisica delle Alte Energie in Italia.

BeppoSAX possiede i requisiti sopra descritti per effettuare con successo la ricerca sui Gamma-ray burst. l’evento viene localizzato con una precisione di qualche minuto d'arco tramite l’uso combinato di 2 strumenti: un monitor di Gamma-ray burst ed uno strumento ad immagine a largo campo che è sensibile ai raggi X; la predetta difficoltà degli strumenti gamma di localizzare con precisione la direzione è stata brillantemente risolta devolvendo il compito di localizzare l’evento al rivelatore per raggi X; era noto, infatti, che l’emissione gamma era accompagnata, durante il burst, anche da una più debole emissione in raggi X. La regione del cielo da cui è scaturito il lampo gamma deve quindi essere osservata il più rapidamente possibile manovrando il satellite in modo da puntare tale regione con dei telescopi X a campo stretto (1 grado) ma molto più sensibili delle camere a largo campo. Per sfruttare al meglio tali capacità potenziali, si è prodotto un notevole sforzo organizzativo, che ha coinvolto sia le componenti scientifiche della missione (che, oltre quelle elencate sopra, includono il Centro Scientifico Operativo dove i dati del satellite sono analizzati in tempo reale 24 ore su 24 e il Centro Dati Scientifici dell’ASI), sia quelle ingegneristiche.

Il primo tentativo di puntamento veloce fu effettuato nel gennaio del 1997. In sole 16 ore dal burst i telescopi a campo stretto osservavano la regione da cui il lampo gamma era scaturito, frantumando il precedente record di 3 settimane. Diverse sorgentine erano presenti nella regione identificata dallo strumento X a largo campo. Una di esse poteva essere la controparte X del lampo gamma (come in effetti si troverà in seguito con una analisi più rifinita). Malgrado il risultato non fosse a quel tempo univoco si era dimostrata la capacità della missione di poter inseguire in poco tempo i Gamma-ray bursts ed il test era servito a migliorare le procedure per ripetere l’operazione in tempi ancora minori. Il 28 febbraio gli strumenti a campo stretto puntavano la regione del burst GB970228 (i burst sono catalogati con un numero che riposta anno, mese, giorno) identificato 8 ore prima dal monitor dei burst e dallo strumento X a campo largo. Questa volta il team dei ricercatori, guidato da chi scrive (Mission Scientist di BeppoSAX), da Filippo Frontera, da Enrico Costa (rispettivamente responsabile e co-responsabile del monitor dei burst) e da John Heise (responsabile dell’esperimento X a largo campo) scopriva una forte sorgente di raggi X, precedentemente sconosciuta, che, dopo 2 giorni, svaniva. La prima controparte di un Gamma-ray burst era stata trovata e per la prima volta si scopriva che le esplosioni di lampi gamma lasciano un residuo di emissione in raggi X (denominato afterglow) che permane nel cielo per diversi giorni.

di Luigi Piro
*Primo Ricercatore presso l’Istituto di Astrofisica Spaziale del CNR, Roma

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http://www.area.fi.cnr.it/r&f/n19/piro2.htm