A1TROFISICA•

•

'Una finesra **‘".• suirunivrsoestremo •

•SINTESI

• II 2008 segna l'inizio di u

nuova era per la fisi

l'inaugurazione del L

Hadron Collider (LHC) al

CERN di Ginevra. Ma c'è

altro rivoluzionario

esperimento che sta

diventare operativo:

Gamma-ray Large Area

Space Telescope (GLAST).

Il satellite GLAST ésplorerà unaregione sconosciuta dello spettroelettromagnetico, dovesi ritiene possano celarsi indizicruciali per spiegare la materiaoscura e altri misteri del cosmo

•Frutto di una collaborazione

internazionale in cui l'Itali

ha un ruolo di primo pian

o l'INFN e l'ASI,

serverà un

in quasi inesplorato

di e rgie dei raggi gamma

e sarà in grado di misurare

con estrema precisione i

tempi di arrivo degli impulsi

gamma. In questo modo

GLAST potrà verificare lediverse teorie proposte per

estendere il modello

standard della fisica delle

particelle.

• Insieme, LHC e GLAST

potrebbero riuscire a

identificare i costituenti

della materia oscura, che

rappresenta la maggior

parte del contenuto dimateria dell'universo.

54 LE SCIENZE

A

partire da questa primavera gli scienziatipotranno affacciarsi su un panorama to-talmente nuovo dell'universo. Il prossimo

maggio è infatti in programma il lancio del Gam-ma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), cheesplorerà ambienti esotici come quelli dei buchineri supermassicci e delle stelle di neutroni, ogget-ti che emettono quantità colossali di raggi gammadi alta energia. Più o meno in contemporanea, ilLarge Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevrainizierà a dare una visione inedita dei mattoni fon-damentali della natura e delle loro interazioni alledistanze più piccole. GLAST potrà indagare alcuni

degli stessi fenomeni microscopici studiati da LHC

e rivelare il funzionamento di questi processi nel-l'ambiente del cosmo.

I raggi gamma sono la radiazione di energia piùelevata, ovvero di lunghezza d'onda più piccola,dello spettro elettromagnetico. I fotoni gamma so-no dotati di un'energia molto superiore a quelladella luce visibile e persino dei raggi X, tanto cheè possibile convertirne una frazione in particelledi materia, in un processo descritto dalla famosaequazione di Albert Einstein E = mc2.

Sorprendentemente ricco e variabile, il cielo neiraggi gamma è molto diverso da quello che ci mo-

474 febbraio 2008

strano i nostri occhi. Il tranquillo cielo notturnodiventa un calderone ribollente di buchi neri su-permassicci che espellono materia a velocità pros-sima a quella della luce, di enormi esplosioni stel-lari, di stelle di neutroni iperdense con colossa-li campi magnetici e della luminescenza ad altaenergia della nostra galassia, provocata da quellecollisioni di particelle cariche note con il nome diraggi cosmici. La radiazione gamma nell'universopotrebbe derivare anche da processi di annichila-zione delle particelle esotiche che costituiscono lamisteriosa materia oscura. LHC tenterà di ricrearesperimentalmente queste interazioni.

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Le potenzialità dell'astronomia dei raggi gam-ma furono anticipate dal fisico Philip Morrisonin un fondamentale articolo del 1958. Egli osser-vò che la luce visibile, compresa quella delle stel-le, è in realtà un'emissione rielaborata e solo indi-rettamente correlata alla sua sorgente originale, disolito rappresentata da processi nucleari e subnu-cleari che avvengono a energie molto più elevate.In effetti l'emissione gamma è molto più vicina al-l'energia dei processi fondamentali dell'astrofisica.La sua presenza identifica di per sé siti con condi-zioni fisiche estreme, e trasporta informazioni di-rette su ciò che vi accade.

LE SCIENZE 55

di William B. Atwood, Peter F. Michelson e Steven Ritz

I

e

•

•

P

dir_

•

•

Un telescopio senza lenti

I raggi gamma hanno energie di gran lunga troppo elevate per poter

essere rilevati dai normali telescopi; la loro osservazione richiede

tecnologie che derivano da quelle usate nei rivelatori degli acceleratori

di particelle. Nello strumento principale di GLAST, lamine di

tungsteno fanno s'i che un fotone gamma in arrivo si

trasmuti in una coppia elettrone-positrone, le cui

successive traiettorie vengono seguite tramite rivelatori in

silicio, che determinano la provenienza del fotone

originario; le due particelle vanno a depositare la loro

energia in un calorimetro alla base dello strumento, che

serve per misurare l'energia della radiazione gamma.

Radiazione gamma

Rivelatoredellatraiettoriadelleparticelle

Calorimetro

Il satellite GLAST esplorerà un'ampia regione dello spettro, compreso l'intervallo finora sconosciuto tra 10 e 100 gigaelettronvolt (fraitegg iato) nel

quale potrebbero celarsi gli indizi chiave per risolvere misteri come quello della composizione della materia oscura.

i i I Ie.. Elettrone

Protone

10-790-n0--711713-10- o- io- io-

T1/7-1-4-- 14"-f(L---)2 1-1-16T-1-1

0T-111

ENERGIA DI UN FO NE (elettronvolt)

LUNGHEZZA D'ONDA (metri)

103 io2 io i io-110-2

io-310-4 io, io-6 io-7 io-8

t

onde radio_ i Mier;r-ond10-9 10-

Raggi ,..

10 io-11 10-12 to-la 10 -14 10 -15

~-1--X

Raggi gamma

Intervallo di sensibilità qiIntervallo di sensibCGRO

ilità qi GLAS

Aprire la finestra

In genere i raggi gamma attraversano senza dif-ficoltà la maggior parte dell'universo visibile - mi-liardi di anni luce - ma sono bloccati dall'atmo-sfera terrestre. Nell'impatto con quest'ultima con-vertono la propria energia in sciami di particellesecondarie, meno energetiche. Nel caso dei raggigamma di energia più elevata, intorno a 100 mi-liardi di elettronvolt (100 GeV), il segnale prodottodallo sciame di particelle secondarie nell'atmosfe-ra è abbastanza intenso da essere rilevato da stru-menti terrestri appositamente progettati. Ma perosservare i raggi gamma di energia più bassa è ne-cessario lanciare speciali telescopi nello spazio.

Come nella maggior parte delle ricerche inastrofisica, l'abbondanza di raggi gamma nell'uni-verso è insieme un vantaggio e un problema: ciòche per un ricercatore è un segnale, per un altrorappresenta un fastidioso rumore di fondo. Cer-cando le prove di nuovi fenomeni, gli scienziatidevono anzitutto escludere le interpretazioni con-venzionali dei dati. Detto questo, vi sono quesiti alivello fondamentale a cui attualmente si può pen-sare di rispondere solo con osservazioni astrofisi-che come quelle che potrà effettuare GLAST.

Da EGRET a GLASTNello studio dell'universo alle alte energie, i

problemi scientifici e le tecniche sperimentali ri-chiedono le competenze sia dei fisici delle parti-celle sia degli astronomi. La convergenza di que-

56 LE SCIENZE

ste discipline tradizionalmente distinte è una del-le principali tendenze della fisica negli ultimivent'anni, come dimostrano i tre autori di questoarticolo: Atwood e Ritz sono fisici delle particelle,mentre Michelson è astrofisico ed è stato tra i pro-gettisti dell'Energetic Gamma Ray Experiment Te-lescope (EGRET) a bordo dell'ultimo grande satel-lite della NASA per lo studio dei raggi gamma, ilCompton Gamma Ray Observatory (CGRO).

Lo strumento principale di GLAST, il Large AreaTelescope (LAT), deve le sue origini a un semina-rio tenuto da Michelson nel 1991 al Departmentof Energy dello Stanford Linear Accelerator Cen-ter (SLAC). Durante le successive discussioni cheMichelson e Atwood ebbero con i membri delgruppo di astrofisica delle particelle, recentemen-te costituitosi allo SLAC e diretto da Elliott Bloom,Atwood pose le basi per il progetto del LAT. Propo-se di adattare i rivelatori di particelle a base di si-licio, che allora erano in pieno sviluppo per il pro-gramma del Superconducting Super Collider, perusarli in un telescopio per raggi gamma. Un se-condo strumento dell'osservatorio GLAST, il BurstMonitor, messo a punto da un gruppo diretto daCharles Meegan del Marshall Space Flight Centerdella NASA, sorveglierà il cielo per rilevare lam-pi di radiazione nella banda di energia inferiore aquella coperta dal Large Area Telescope. Comples-sivamente, GLAST è frutto di una grande collabo-razione internazionale che ha coinvolto Stati Uni-

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ti, Francia, Germania, Italia (si veda il box a p. 60),Giappone e Svezia.

Il Large Area Telescope sarà in grado di racco-gliere una quantità di raggi gamma 100 volte su-periore a quella di EGRET. Il suo campo di vista èparagonabile a quello dell'occhio umano, poichépuò coprire circa il 20 per cento del cielo in unasingola osservazione: nel corso di due orbite intor-no alla Terra, che compirà in circa tre ore, GLASTosserverà tutto il cielo. Questa capacità è partico-larmente importante per individuare le sorgentitransitorie caratteristiche del cielo nei raggi gam-ma osservato da EGRET. In pochi giorni GLASTarriverà alla stessa sensibilità alla sorgente cheEGRET ha impiegato anni a raggiungere. Insieme,il Large Area Telescope e il Burst Monitor copri-ranno un intervallo di energie superiore a sette or-dini di grandezza nello spettro elettromagnetico.

Con questo enorme incremento di prestazioni,GLAST fornirà importanti nuovi dati sui buchi ne-ri supermassicci e sulle stelle di neutroni, che emet-tono quantità gigantesche di energia sotto forma diraggi gamma. Si tratta quindi di un notevole mi-glioramento rispetto a EGRET, che non è riuscito aidentificare due terzi delle sorgenti gamma rilevate.Il satellite potrebbe anche individuare le tracce di

c7, fenomeni che vanno al di là del modello standarddella fisica delle particelle, e verificare i processiprevisti dal modello in condizioni estreme. Ecco unelenco di alcune di queste esotiche eventualità.

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Materia oscuraSi sa dagli anni trenta che nell'universo c'è

più di quel che si vede. Le galassie in moto negliammassi e le stelle in moto nelle galassie hannouna velocità superiore a quella calcolabile in ba-se alla gravità della materia visibile: ciò indica chesono influenzate da una grande quantità di materiainvisibile. Più di recente, i fisici si sono resi contoche alcune estensioni del modello standard potreb-bero spiegare di che cosa si tratta. La più accredita-ta di queste estensioni chiama in causa un ipoteticoaspetto della natura, la supersimmetria, la cui veri-fica è uno degli obiettivi principali di LHC.

Le particelle supersimmetriche della materiaoscura non sono veramente oscure. Benché possa-no non interagire con la luce e la materia ordina-ria, si ritiene che abbiano l'interessante proprietàdi essere le antiparticelle di se stesse. Perciò quan-do due di queste particelle si incontrano, si anni-chilano, convertendo la loro massa in particelle dialta energia, raggi gamma compresi. La difficol-tà sarà distinguere questa radiazione da emissionisimili provenienti da altre sorgenti. Si sa così po-co della materia oscura che le stime dell'intensitàe dell'energia della sua emissione gamma varianoenormemente.

Nei casi più semplici, l'annichilazione dà origi-ne solo a due fotoni gamma la cui energia è pa-ri a quella delle particelle di materia oscura, rite-nuta dell'ordine di alcune centinaia di GeV. Que-

GLI AUTORI

WILLIAM B. ATWOOD, PETER F.

MICHELSON e STEVEN RITZ fanno

parte della grande collaborazione

internazionale che ha contribuito

alla costruzione di GLAST. Atwood,

che è docente presso l'Università

della California a Santa Cruz, ha

collaborato a numerosi esperimenti

di fisica delle particelle, tra i quali

l'esperimento allo SLAC a cui è

attribuito il merito della scoperta dei

quark. Michelson è professore alla

Stanford University e responsabile

scientifico del Large Area Telescope

di GLAST. Ha iniziato la sua carriera

occupandosi di superconduttività e

ha poi rivolto il proprio interesse

all'astrofisica, dopo aver messo a

punto strumenti per l'individuazione

delle onde gravitazionali. Ritz,

astrofisico del Goddard Space Flight

Center della NASA e docente

all'Università del Maryland, è

responsabile scientifico del progetto

GLAST.

LE SCIENZE 57

INFORMAZIONIIN PILLOLELo strumento principale di GLAST, il

Large Area Telescope, ha una massa

di tre tonnellate, ma consuma metà

dell'energia di un asciugacapelli.

Se GLAST fosse un pianoforte

coprirebbe 23 ottave. I due strumenti

del satellite possono effettuare

osservazioni in un intervallo di

energie di oltre sette ordini di

grandezza.

PROBLEMA: Le galassie contengono più materia di quella osservabile. La «massa

mancante» consiste forse di particelle esotiche?

•

Materia oscura

t-"' • _ ' 411,-

Disco visibiledella galassia

•

IMPLICAZIONI: se GLAST individuasse questi raggi gamma, non solo

confermerebbe l'esistenza di materia oscura costituita da particelle

(escludendo le ipotesi alternative), ma rivelerebbe alcune proprietà di queste

particelle, come massa e interattività, offrendo una chance per spiegarle.

r. Raggio gamma

\ 15. n,. rij\+.

Particelle intermedie

Particelle oscure —

OSSERVAZIONI: la teoria indica che una particella oscura non è

davvero «oscura». Se interagisce con un'altra particella simile,

le due si annichilano, producendo un raggio gamma di energia

caratteristica oppure altre particelle che a loro volta decadono

in raggi gamma in un certo intervallo di energie.

QUESTO È IL CIELO che si vedrebbe se

si potessero percepire i raggi gamma,

basato su una simulazione delle

capacità del satellite GLAST.

L'immagine è una proiezione del cielo

centrata sul nucleo della Via Lattea.

La fascia orizzontale brillante

corrisponde al disco galattico che

risplende in radiazione gamma,

prodotta per lo più dall'impatto dei

raggi cosmici con le molecole del gas

interstellare. La maggior parte delle

migliaia di punti luminosi è costituita

da buchi neri supermassicci al centro

di galassie lontane. Oltre a questi

segnali, potrebbero essere rilevabili

indizi di nuovi fenomeni fisici.

Che cos'è la materia oscura?

sta situazione è l'esatto corrispettivo della carat-teristica emissione gamma a 511 chiloelettronvolt(keV) prodotta dall'annichilazione di un elettronecon la sua antiparticelle, il positrone. Quando gliastronomi osservano raggi gamma a 511 keV, san-no che devono essere coinvolti positroni. Allo stes-so modo, se si rilevasse un eccesso di raggi gammacon energia intorno a 100 GeV, si saprebbe che de-ve essere coinvolta la materia oscura.

L'interpretazione di un simile segnale sarebbepriva di ambiguità, ma ci sono scarse probabilitàche sia abbastanza intenso da risultare osservabi-le. Gran parte della radiazione liberata nell'anni-chilazione della materia oscura coprirebbe un am-pio intervallo di energie; e purtroppo il segnale sisovrapporrebbe alla radiazione gamma molto piùabbondante prodotta nelle collisioni dei raggi co-smici con il gas e i campi di radiazione interstella-ri. In questo caso individuare il segnale della ma-teria oscura sarebbe arduo quanto vedere le stellenel bagliore delle luci di una grande città. Per for-

tuna i raggi gamma generati dalla materia oscu-ra dovrebbero avere uno spettro differente e unadistribuzione caratteristica nel cielo: per esempiodovrebbero raggrupparsi vicino al centro delle ga-lassie, una distribuzione che potrebbe facilitarnela scoperta.

I dati di GLAST si integreranno perfettamen-te con quelli degli esperimenti di fisica di ultimagenerazione. LHC potrebbe generare nuove par-ticelle, misurarne la massa e determinare l'inten-sità delle loro interazioni con le altre particelle:GLAST potrà stabilirne il ruolo nell'universo. Da-to che queste particelle sfuggiranno dall'accelera-tore troppo velocemente per determinarne la sta-bilità, i dati di GLAST saranno essenziali per capi-re se abbiano una vita abbastanza lunga da costi-tuire effettivamente la materia oscura. Le ricerche

di GLAST potranno anche indirizzare i tentativi diindividuare direttamente la materia oscura mentreattraversa la Terra.

2 Mini buchi neriTra relatività speciale e meccanica quanti-

stica, i pilastri teorici della fisica moderna, sonostate stabilite profonde connessioni, ma l'integra-zione della relatività generale - e quindi della for-za di gravità - è ancora in corso. Negli anni settan-ta Stephen Hawking formulò una previsione note-vole, affermando che la combinazione della gravi-tà con le fluttuazioni quantistiche dell'energia im-plicherebbe l'instabilità dei buchi neri. Questi og-getti dovrebbero emettere particelle di energia cre-scente via via che le loro dimensioni si riducono,fino a dar luogo a una reazione incontrollata e in-fine a una colossale esplosione.

Il processo è troppo lento per influenzare in ma-niera rilevabile i buchi neri massicci, ma se nel-l'universo primordiale vi erano le condizioni adatteper la nascita di questi oggetti, potrebbero esserse-ne formati alcuni abbastanza piccoli da essere or-mai prossimi all'esplosione. I buchi neri di dimen-sioni minuscole dovrebbero essere già scomparsi,ma quelli con una massa di circa 1012 chilogrammi- l'equivalente di un piccolo asteroide - dovrebbe-ro avere una vita di circa 14 miliardi di anni. Per-ciò se davvero esistono buchi neri così piccoli (eva detto che molti fisici teorici sono scettici a que-sto riguardo), GLAST avrà l'opportunità di osserva-re un processo che stabilisce una correlazione pro-fonda tra meccanica quantistica e gravità.

L'elaborazione teorica ha condotto alcunifisici a postulare che il nostro universo tridimen-sionale sia contenuto in uno spazio con un nume-ro più elevato di dimensioni. In alcune versioni diqueste teorie le dimensioni extra sono invisibiliperché la materia e le forze non gravitazionali, co-me l'elettromagnetismo, sono confinate nel nostrovolume tridimensionale. La gravità, tuttavia, nonè soggetta a simili restrizioni. Il gravitone, la par-ticella che trasporta la forza di gravità, potrebbeavere degli analoghi, i cosiddetti gravitoni di Kalu-za-Klein, che si propagano in un volume dotato diun numero maggiore di dimensioni.

Se queste dimensioni in più avessero una gran-dezza sufficiente, potrebbero modificare il com-portamento della gravità in maniera rilevabile daparte di GLAST (e forse anche di LHC). Per esem-pio una parte dell'energia delle esplosioni di su-pernova potrebbe dar luogo alla formazione deigravitoni esotici, i quali a loro volta decadrebbero

in altre particelle, in particolare raggi gamma.EGRET ha cercato invano le prove di fenome-

ni di questa natura, per cui i fisici ne hanno con-cluso che non più dell'uno per cento circa del-l'energia di una supernova può trovarsi sotto for-ma di gravitoni di Kaluza-Klein. GLAST osserveràun numero molto superiore di oggetti del genere,con una sensibilità assai più elevata: come mini-mo, perciò, sarà in grado di confutare alcune ver-sioni delle teorie extradimensionali.

4 Violazioni della relativitàUno dei pilastri della relatività speciale è il

concetto che la velocità della luce nel vuoto è in-dipendente dalla lunghezza d'onda. I fotoni di ele-vata energia (piccola lunghezza d'onda) e quel-li di bassa energia (grande lunghezza d'onda) do-vrebbero propagarsi tutti alla medesima velocità.Questa costanza è una manifestazione di un prin-cipio più profondo, l'invarianza di Lorentz, che èl'espressione matematica del principio di Einstein

secondo cui le leggi fisiche restano immutate pertutti gli osservatori in moto a velocità costante.

Ma il principio è veramente valido? In una teo-ria quantistica della gravità potrebbe non esserlo.La conformazione dello spazio-tempo a piccolis-sima scala potrebbe fluttuare, e i fotoni di eleva-ta energia sarebbero più sensibili a queste pertur-bazioni di quelli di bassa energia. Per dare un'ana-logia, un passeggino per bambini, che ha le ro-telle piccole, è più sensibile di un autocarro, coni suoi massicci pneumatici, alle irregolarità dellapavimentazione stradale. Per superare le pertuba-zioni, i fotoni di energia elevata potrebbero esse-re costretti a percorrere una distanza relativamentemaggiore o minore, allungando o abbreviando diconseguenza il loro tragitto nell'universo. Il modomigliore per misurare differenze di velocità moltopiccole è organizzare una gara di corsa molto lun-ga: quanto maggiore è la distanza percorsa, tantopiù sensibile sarà la differenza nei tempi di arrivoal traguardo. La natura organizza una gara del ge-nere ogni volta che viene emesso un lampo di rag-gi gamma: l'evento libera impulsi di fotoni di di-verse energie, che possono viaggiare per miliardidi anni luce prima di raggiungerci.

EGRET ha rilevato appena sei lampi nel suocampo di vista, e solo un piccolo numero di foto-ni per ciascuno. GLAST potrà individuarne molti dipiù. Sarà in grado di misurare differenze nei tem-pi di arrivo dei raggi gamma di alta e bassa energiaappartenenti a lampi che hanno avuto origine inun ampio intervallo di distanze dalla Terra. Alcunimodelli prevedono disparità dell'ordine di 10 milli-secondi o più, che GLAST è in grado di distinguere.

NON COSÌREMOTALa materia oscura non è poi cosìesotica e distante da noi. Secondogli astrofisici, anche nello spazio checi circonda essa rappresenterebbel'equivalente di un protone ogni trecentimetri cubi.

I NUMERI DIGLAST-LAT9500 cm2Area effettiva in grado di captareradiazione gamma

20 per cento del cieloCampo di vista

Da 20 MeV a 300 GeVIntervallo di energia

10 psecRisoluzione temporale

30 milioniNumero di fotoni osservati all'anno

3 Dimensioni extra

58 LE SCIENZE

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LE SCIENZE 59

I BUCHI NERI SUPERMASSICCI

come questo saranno le sorgenti

extragalattiche di raggi gamma che

GLAST osserverà con maggiore

frequenza. Paragonato con il sistema

solare, il buco nero dell'illustrazione è

più grande dell'orbita di Marte, e il

disco di materia che lo circonda si

estende fino alla stella più vicina. Getti

di materia espulsi a velocità

elevatissima emettono grandi quantità

di raggi gamma. Il loro studio

potrebbe aiutare gli scienziati a

comprendere il comportamento della

materia in condizioni tra le più

estreme che si possano immaginare.

PROBLEMA: la teoria della relatività generale considera lo spazio-tempo

come un continuo. Ma a un esame più ravvicinato lo spazio-tempo

potrebbe forse rivelarsi una sorta di schiuma ribollente, come

suggeriscono alcune versioni della gravità quantistica?

Raggi gamma di energie diverse

OSSERVAZIONI: I raggi gamma di alta energia e piccola lunghezza

d'onda risentirebbero di una struttura schiumosa (sotto) più di quelli

di energia inferiore. L'effetto è necessariamente molto piccolo, ma

potrebbe tradursi in una differenza rilevabile nel tempo impiegato da

un raggio gamma per attraversare il cosmo (a sinistra).

Una schiuma spazio-temporale?

IMPLICAZIONI: La scoperta di un effetto simile, se si dimostrasse la sua

indipendenza dalla sorgente, fornirebbe un indizio essenziale per determinare la

struttura dello spazio-tempo e la scala di lunghezza della gravità quantistica.

Se il satellite rileverà una differenza, si dovran-no prima escludere le spiegazioni ordinarie, co-me fenomeni avvenuti nella stella che ha emessoil lampo di raggi gamma. Una verifica consisterànello stabilire se la differenza temporale aumen-ta di pari passo con la distanza cosmica: se è così,questo metterebbe in dubbio la maggior parte del-le spiegazioni convenzionali. Un altro test consi-sterà nel verificare se la differenza temporale ri-mane costante per raggi gamma provenienti daoggetti di diversa natura: non solo lampi di rag-gi gamma, ma anche emissioni generate da buchineri supermassicci.

5 Materia estremaPer comprendere i fenomeni sopra citati sa-

rà necessario elaborare nuove leggi fisiche. Ma gliscienziati talvolta fanno fatica persino ad applica-re quelle di cui dispongono già, e anche in questocaso GLAST potrebbe dare un contributo di gran-de importanza. Per esempio sembra che spesso alcentro delle galassie siano presenti buchi neri su-permassicci, e che siano strettamente correlati al-la nascita e allo sviluppo delle galassie che li ospi-tano. Via via che il buco nero centrale si accresceinghiottendo il gas circostante, il nucleo della ga-lassia può diventare attivo. I nuclei galattici atti-vi (AGN) sono una delle principali sorgenti di rag-gi gamma nell'universo.

I buchi neri non emettono direttamente radia-zione gamma, ma danno invece origine a poten-

ti getti di particelle di alta energia che si muovonoa velocità prossime a quella della luce e che, col-lidendo poi con fotoni meno energetici, li eccita-no fino alle energie dei raggi gamma. Gli astrofi-sici ritengono che i getti fuoriescano lungo l'assedi rotazione del buco nero e che si alimentino sot-traendo a quest'ultimo energia rotazionale. L'ener-gia emessa in questo processo esclusivamente sot-to forma di raggi gamma può equivalere all'emis-sione energetica di tutte le stelle della nostra ga-lassia nell'intero spettro elettromagnetico.

La radiazione gamma prodotta rappresentaquindi uno strumento diagnostico ideale per ana-lizzare le condizioni estreme nelle vicinanze delbuco nero. Come fanno i getti a rimanere così colli-mati per migliaia di anni luce? Dove e come l'ener-gia cinetica di un getto è convertita in radiazionegamma? Collaborando con osservatori ottici e perle onde radio, GLAST potrebbe finalmente offrirealcune risposte osservando gli spettri di queste po-tentissime sorgenti che si evolvono nel tempo.

Le stelle di neutroni in rapida rotazione si col-locano su un gradino appena più basso dei buchineri nella scala degli oggetti cosmici esotici. I cam-pi magnetici di alcune di esse sono tra i più intensiche si conoscano in natura e costituiscono il cuo-re di sistemi in grado di accelerare particelle cari-che fino a energie di gran lunga superiori a quelleraggiungibili da LHC. Vicino alla superficie di que-sti oggetti possono avvenire insolite reazioni traparticelle, e i raggi gamma rappresentano il mezzo

474 febbraio 2008

migliore per studiarle. CGRO ha rilevato radiazionegamma proveniente da sei giovani stelle di neutro-ni nella Via Lattea. In base ai migliori modelli teo-rici attuali, ci aspettiamo che GLAST ne individuiun numero 10 o più volte maggiore.

Uno dei misteri più insondabili dell'astrofisicada parecchi decenni è la natura dei lampi di rag-gi gamma, brevissimi lampi di radiazione di altaenergia che provengono da direzioni casuali nelcielo e appaiono solo una volta, senza manifestar-si mai più nella medesima posizione. In anni re-centi gli astronomi hanno compiuto enormi pro-gressi nell'identificare le sorgenti di queste colos-sali esplosioni. Sembra che esse si manifestino odurante la nascita di buchi neri al centro di stel-le massicce morenti oppure dalla fusione di sistemibinari di stelle di neutroni o di buchi neri. In real-tà, i due meccanismi potrebbero dar luogo a clas-si diverse di lampi di raggi gamma. GLAST è unostrumento particolarmente adeguato per risolverequesti enigmi.

Alle alte energie si verifica un fenomeno straor-dinario: la luce può interagire con la luce. A bas-se energie, due fasci di luce si attraversano senzaconseguenze, ma a energie più elevate gli effettiquantistici li rendono più comunicativi. Per esem-pio i raggi gamma, propagandosi nello spazio,possono interagire con la luce delle stelle e pro-durre coppie elettrone-positrone. I fotoni del visi-bile si comportano allora come una foschia attra-verso cui devono passare i fotoni gamma, renden-

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do l'universo opaco ai raggi gamma di elevatissi-ma energia provenienti da sorgenti remote. GLASTpotrà misurare o stimare la quantità di radiazio-ne ottica e ultravioletta che deve riempire lo spaziomisurando lo spettro gamma di un gran numero digalassie attive. Partendo dalla quantità di radiazio-ne presente, a sua volta, potrà stabilire in che mo-do è variata la velocità di formazione delle stelledurante la storia del cosmo.

6 L'imprevistoLa storia insegna che grandi progressi nel-

le capacità di misurazione hanno spesso svela-to aspetti imprevisti della natura. Per esempio, nel1994 Compton ha osservato un fenomeno bizzar-ro. Settantacinque minuti dopo l'inizio di un lam-po di raggi gamma il satellite ha rilevato un sin-golo fotone gamma con l'incredibile energia di 18

GeV: la più elevata mai osservata in un lampo. Èda allora che i teorici riflettono su ciò che potreb-be rappresentare questo evento per la fisica deglilampi di raggi gamma.

Chi può sapere che cosa ci riserverà la nuovaera di scoperte alle porte? Basandosi soltanto sul-l'estrapolazione dei risultati ottenuti dalle prece-denti generazioni di osservatori spaziali per rag-gi gamma, si può affermare con sicurezza cheGLAST risolverà molti degli interrogativi oggi ir-risolti sull'universo alle alte energie. Ma nessunopuò dire che cos'altro vedremo attraverso la fine-stra che sta per aprire davanti a noi.

IL RUOLODELL'ITALIAIl contributo italiano a GLAST è

concentrato soprattutto nella

realizzazione del tracciatore del LAT,

per un investimento complessivo di

24 milioni di euro. L'ASI ha svolto il

ruolo di agenzia finanziatrice mentre

la parte di progettazione e

realizzazione (nonché quella

scientifica) è stata curata

dall'Istituto Nazionale di Fisica

Nucleare (INFN) e da alcuni centri

dell'Istituto Nazionale di Astrofisica

(INAF). Responsabile della

progettazione, costruzione e

calibrazione del tracciatore è

Ronaldo Bellazzini dell'INFN di Pisa.

Vi hanno lavorato 50 fisici associati

INFN, in particolare quelli delle

sezioni di Pisa, Bari, Roma 2, Trieste/

Udine, Perugia, Padova. Gli italiani

hanno contribuito poi alla

calibrazione del telescopio

(attraverso fasci di particelle del

CERN e del OSI), allo sviluppo del

software per l'analisi dei dati e per la

simulazione di alcuni tipi di sorgenti

come i lampi gamma e le pulsar. Per

quanto riguarda la ricerca scientifica

che si farà attraverso GLAST, gli

italiani hanno la responsabilità di 4

gruppi su 9.A dirigerli, tre fisici

dell'INFN o associati e uno dell'INAF.

60 LE SCIENZE

à> LettureThe Edge of Infinity: Supermassive

Bleck Holes in the Universe. Melia E.,

Cambridge University Press, 2003.

Very High Energy Gamma-Ray

Astronomy. Weekes T.C., Taylor and

Francis, 2003.

Dark Cosmos:In Search of Our

Universe's Missing Mass and Energy.

Hooper D., HarperCollins, 2006.

The First GLAST Symposium

Proceedings. Michelson P. e Meegan

C.A. (a cura di Steven Ritz), AIP

Conference Proceedings 921, agosto

2007.

Per ulteriori informazioni su GLAST

consultare il sito Web della missione:

www.nasa.gov/glast.

LE SCIENZE 61