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La curiosità del mese

Il telescopio più grande del mondo per i fotoni più energetici

La curiosità del mese di novembre 2008 a cura di Gabriele Ghisellini


Il telescopio Cherenkov Magic.
Fig. 1 - Il telescopio Cherenkov Magic.
Fotoni più energetici? di cosa si parla?

Parliamo di raggi gamma. Mille miliardi di volte più energetici della luce visible.


Sono pericolosi?

Se fossimo esposti ad una grande quantità di radiazione di questo tipo, certo, ci farebbero del male.
Ma fortunatamente la nostra atmosfera, qui sulla terra, ci protegge, perchè li assorbe.


Quindi bisogna andare al di sopra dell’atmosfera per vederli?

Dipende... per raggi gamma di energia non estrema, sì.
Proprio adesso ci sono due satelliti in orbita, specializzati per raccogliere questo tipo di radiazione.
Uno è italiano, si chama AGILE.
L’altro è fatto da un consorzio di nazioni, tra cui partecipa anche l’Italia, con il contributo principale fornito dagli Stati Uniti.
Si chiama Fermi-GLAST, in onore del nostro più grande fisico, Enrico Fermi.
Però, per raggi gamma di energia estrema, si usa un altro metodo...


Il sistema di telescopi Cherenkov H.E.S.S.
Fig. 2 - Il sistema di telescopi Cherenkov H.E.S.S.
Quale?

Si usa l’atmosfera stessa.
Quando arriva un fotone gamma estremo, questo si scontra con il nucleo di qualche atomo, nell’alta atmosfera.
L'urto è violento, come quello che cerchiamo di riprodurre al CERN, con gli acceleratori di particelle.


Cosa succede dopo?

Succede che nell’urto il fotone originario sparisce, e al suo posto vengono prodotte una miriade di particelle e antiparticelle.


Antiparticelle? Di antimateria?

Esattamente.
Tra queste, nascono anche un bel po’ di elettroni e di positroni (gli anti-elettroni).
I nuovi nati sono velocissimi, e viaggiano addirittura più veloci di quanto viaggia la luce nell’atmosfera.


Più veloci della luce? Ma non è possibile!

Beh, non è possibile viaggiare più velocemente di quanto fa la luce nel vuoto, ma nell’aria o nell’acqua la velocità della luce è più piccola.
Per esempio nell’acqua la luce non va a 300.000 km al secondo, ma "solo" a 225.000... Nell’atmosfera la luce va leggermente più piano che nel vuoto.
Quindi le nostre particelle nate nello scontro possono superarla...


Quindi?

Succede allora una cosa strana.
Le particelle che si muovono così velocemente riescono a produrre un tipo particolare di luce, che si chiama luce Cherenkov (dal nome di chi per primo ha scoperto e descritto questo fenomeno).
E il bello è che la luce prodotta è luce visibile, azzurrina. Quindi possiamo vederla, e raccoglierla con i nostri telescopi.


Sono questi i telescopi più grandi del mondo?

Questi telescopi sono grandi, ma non è questo il punto.
La cosa importante è che usiamo l’atmosfera sopra di noi per trasformare i raggi gamma in luce visibile.
E di atmosfera ce n’è tanta.
È come se il vero telescopio fosse l’atmosfera! Con questo trucco riusciamo a raccoglierne parecchi, e abbiamo fatto delle scoperte.


Quali scoperte?

Beh, innanzitutto che ci sono delle sorgenti che questi raggi gamma estremi li fanno.
Nella nostra galassia provengono da quello che rimane dallo scoppio delle supernove.
Ma forse la scoperta più bella è che ci sono sorgenti molto distanti dalla nostra galassia, che producono raggi gamma estremi in quantità. Addirittura spendono la maggior parte della loro potenza facendo questi fotoni.


Perchè è importante studiarli?

Per due motivi.
Il primo è che possiamo imparare qualcosa sul come si fa ad accelerare le particelle ad energie così grandi.
Infatti, per produrre un raggio gamma estremo, occorre avere una particella che come minimo ha uguale energia.
E le energie di queste particelle sono più grandi di quelle che possiamo ottenere con il più grande acceleratore del mondo, al CERN.


L'altro motivo?

L’altra ragione è un pò più difficile da spiegare.


Provaci!

Va bene.
Nel suo viaggio dalla sorgente fino a noi, il raggio gamma può scontrarsi con fotoni di più bassa energia.


Scontri tra fotoni? Fantascienza...

No, fisica pura. Succede, e ne abbiamo le prove.
Dicevo, lo scontro è tra il fotone gamma e un fotone di più bassa energia.
Per i nostri raggi gamma estremi i fotoni killer sono i fotoni nel visibile e nell'infrarosso.
Ovviamente, più fotoni visibili e infrarossi ci sono, tra la sorgente e noi, e più grande è la probabilità che il raggio gamma muoia nello scontro.
Analogamente, più strada deve fare il fotone energetico per arrivare da noi, più grande la probabilità che faccia uno scontro.
Quando lo scontro effettivamente succede, al posto del fotone gamma nascono un elettrone e un anti-elettrone (che si chiama positrone).
Quindi il solo fatto di riuscire a vedere dei fotoni gamma estremi, da sorgenti molto distanti da noi, dice qualcosa su quanti fotoni nel visibile e nell'infrarosso ci sono nell’universo, che è una cosa che conosciamo poco e che invece ci piacerebbe conoscere, per esempio per sapere quante stelle si sono formate nel passato.

Per saperne di più

vai al sito ufficiale del telescopio MAGIC (in inglese)
vai al sito ufficiale del sistema di telescopi H.E.S.S. (in inglese)

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