Rappresentazione artistica di un fascio di GRB

Misteri dell'Universo: Raggi Gamma

In questo nuovo articolo di Eagle sera parleremo degli Raggi Gamma, un particolare tipo di raggi cosmici. Gli astronomi, rilevandoli coi telescopi, stanno facendo scoperte sorprendenti. Se siete curiosi, seguiteci su Eagle sera.



Cosa sono?

Rappresentazione artistica dell'evento GRB 080319B.

I lampi gamma, anche abbreviati GRB dalla locuzione inglese gamma ray burst, sono in astronomia, intensi lampi di raggi gamma che possono durare da pochi millisecondi a diverse decine di minuti. Queste potenti esplosioni costituiscono il fenomeno più energetico finora osservato nell'universo. I GRB sono fenomeni abbastanza frequenti (all'incirca uno al giorno) e la loro distribuzione nel cielo è isotropa, ovvero avvengono in direzioni del tutto casuali ed imprevedibili. I GRB sono eventi cosmologici, situati in galassie esterne alla Via Lattea e talvolta molto lontane. Il lampo gamma più lontano finora osservato, denominato GRB 090423, è avvenuto ad una distanza di oltre 13 miliardi di anni luce dalla Terra. Una nuova era nello studio di questi oggetti celesti è iniziata nel 1997 con la scoperta del primo afterglow, l'emissione residua associata ad un GRB e visibile in tutte le bande spettrali (radio, IR, visibile, UV, raggi X). Secondo le teorie correnti, queste potenti emissioni di raggi gamma sono generate dall'accrescimento di materia su un buco nero. Molti sono i fenomeni che possono generare questo sistema buco nero+disco di accrescimento, ad esempio il collasso gravitazionale di una stella rotante e molto massiccia, la coalescenza di due stelle di neutroni o di una stella di neutroni ed un buco nero. Un GRB è usualmente indicato con la data (anno-mese-giorno) in cui è stato osservato e, se più di un burst è stato rivelato, si usa porre una lettera finale per indicarne l'ordine (A per il primo, B per il secondo, etc.). Ad esempio GRB 050509B è il secondo GRB osservato il 9 maggio 2005.

In fisica nucleare i raggi gamma, spesso indicati con la corrispondente lettera greca minuscola γ, sono le radiazioni elettromagnetiche prodotte dal decadimento radioattivo dei nuclei atomici. Sono delle radiazioni a frequenza molto alta e sono tra le più pericolose per l'uomo, come tutte le radiazioni ionizzanti. La pericolosità deriva dal fatto che sono onde ad alta energia capaci di danneggiare irrimediabilmente le molecole che compongono le cellule, portandole a sviluppare mutazioni genetiche o addirittura a morte. Sulla Terra possiamo osservare sorgenti naturali di raggi gamma sia nel decadimento dei radionuclidi sia nelle interazioni dei raggi cosmici con l'atmosfera; più raramente anche i fulmini producono questa radiazione. Normalmente la frequenza di questa radiazione è maggiore di 1020 Hz, dunque possiede un'energia oltre i 100 keV e una lunghezza d'onda minore di 3x10−13 m, molto inferiore al diametro di un atomo. Sono state studiate anche interazioni che coinvolgevano raggi gamma di energia da TeV a PeV. In astronomia i raggi gamma sono definiti in base alla loro energia ed esistono raggi gamma anche di più di 10 TeV, una frequenza maggiore di quella proveniente da qualsiasi decadimento radioattivo. I raggi gamma sono più penetranti della radiazione prodotta dalle altre forme di decadimento radioattivo, ovvero decadimento alfa e decadimento beta, a causa della minor tendenza a interagire con la materia. La radiazione gamma è composta da fotoni: questa è una differenza sostanziale dalla radiazione alfa che è composta da nuclei di elio e dalla radiazione beta che è composta da elettroni; i fotoni, non essendo dotati di massa, sono meno ionizzanti. A queste frequenze, la descrizione dei fenomeni delle interazioni fra campo elettromagnetico e materia non può prescindere dalla meccanica quantistica: in quest'ultima, i quanti trasportano un'energia pari a:

Barra delle equazioni per i lettori più curiosi

I raggi gamma si distinguono dai raggi X per la loro origine: i gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, mentre i raggi X sono prodotti da transizioni energetiche dovute a elettroni che da livelli energetici quantizzati esterni vanno in livelli energetici liberi più interni. Poiché è possibile per alcune transizioni elettroniche superare le energie di alcune transizioni nucleari, la frequenza di raggi X più energetici può essere maggiore di quella di raggi gamma meno energetici. Di fatto però entrambi sono onde elettromagnetiche, così come lo sono le onde radio e la luce. Le emissioni di raggi gamma rivestono interesse scientifico presso gli acceleratori naturali di particelle, quali possono essere i resti di supernove ad alta energia, sistemi binari composti da stelle normali e oggetti compatti quali stelle di neutroni o buchi neri e nuclei galattici attivi, che contengono al loro centro buchi neri supermassivi (masse fino a diversi milioni di masse solari). Per il loro studio è stato avviato l'esperimento GLAST, un telescopio orbitante sensibile alle radiazioni gamma. Oltre a GLAST, esistono diversi osservatori terrestri Čerenkov che sono in grado di captare in maniera indiretta raggi gamma di energie elevatissime, ancora più elevate di quelle che può rilevare GLAST, che provengono dalle regioni più attive dell'universo. La schermatura dei raggi γ richiede materiali molto più spessi di quelli necessari per schermare particelle α e β che possono essere bloccate da un semplice foglio di carta (α) o da un lastra sottile metallica (β). I raggi gamma vengono assorbiti meglio dai materiali con un alto numero atomico e con alta densità: infatti, se per ridurre del 50% l'intensità di un raggio gamma occorre 1 cm di piombo, lo stesso effetto si ha con 6 cm di cemento o 9 cm di terra pressata. I materiali per la schermatura sono in genere misurati in base allo spessore richiesto per dimezzare l'intensità della radiazione. Ovviamente maggiore è l'energia dei fotoni, maggiore è lo spessore della schermatura richiesta. Occorrono quindi schermi spessi per la protezione degli esseri umani, poiché i raggi gamma e i raggi X producono effetti come ustioni, forme di cancro e mutazioni genetiche. Ad esempio nelle centrali nucleari per la schermatura si usano l'acciaio e il cemento nel recipiente di contenimento delle particelle e l'acqua fornisce una schermatura dalla radiazione prodotta durante la conservazione delle barre di combustibile o durante il trasporto del nocciolo del reattore. La schermatura dei raggi γ richiede materiali molto più spessi di quelli necessari per schermare particelle α e β che possono essere bloccate da un semplice foglio di carta (α) o da un lastra sottile metallica (β). I raggi gamma vengono assorbiti meglio dai materiali con un alto numero atomico e con alta densità: infatti, se per ridurre del 50% l'intensità di un raggio gamma occorre 1 cm di piombo, lo stesso effetto si ha con 6 cm di cemento o 9 cm di terra pressata. I materiali per la schermatura sono in genere misurati in base allo spessore richiesto per dimezzare l'intensità della radiazione. Ovviamente maggiore è l'energia dei fotoni, maggiore è lo spessore della schermatura richiesta. Occorrono quindi schermi spessi per la protezione degli esseri umani, poiché i raggi gamma e i raggi X producono effetti come ustioni, forme di cancro e mutazioni genetiche. Ad esempio nelle centrali nucleari per la schermatura si usano l'acciaio e il cemento nel recipiente di contenimento delle particelle e l'acqua fornisce una schermatura dalla radiazione prodotta durante la conservazione delle barre di combustibile o durante il trasporto del nocciolo del reattore. Quando un raggio gamma attraversa la materia, la probabilità di assorbimento è proporzionale allo spessore dello strato, alla densità del materiale e alla sezione trasversale di assorbimento. Si osserva che l'assorbimento totale ha un'intensità esponenzialmente decrescente con la distanza dalla superficie di incidenza:

Barra delle equazioni per i lettori più curiosi

dove x è lo spessore del materiale della superficie incidente, μ=nσ è il coefficiente di assorbimento, misurata in cm-1, n è il numero di atomi per cm3 (densità atomica) e σ è la sezione d'urto misurata in cm2. In termini di ionizzazione, la radiazione gamma interagisce con la materia in tre modi principali: l'effetto fotoelettrico, l'effetto Compton e la produzione di coppie elettrone-positrone. 

Effetto fotoelettrico: avviene quando un fotone gamma interagisce con un elettrone, tendenzialmente interno, orbitante attorno a un atomo e gli trasferisce tutta la sua energia, col risultato di espellere l'elettrone dall'atomo. L'energia cinetica del "fotoelettrone" risultante è uguale all'energia del fotone gamma incidente meno l'energia di legame dell'elettrone. L'effetto fotoelettrico è il meccanismo principale per l'interazione dei fotoni gamma e X al di sotto dei 50 keV (migliaia di elettronvolt), ma è molto meno importante ad energie più alte.

Scattering Compton: un fotone gamma incidente espelle un elettrone da un atomo, in modo simile al caso precedente, ma l'energia addizionale del fotone viene convertita in un nuovo fotone gamma, meno energetico, con una direzione diversa dal fotone originale (dispersione, per questo il termine scattering). La probabilità dello scattering Compton diminuisce con l'aumentare dell'energia del fotone. Questo è il meccanismo principale per l'assorbimento dei raggi gamma nell'intervallo di energie "medie", tra 100 keV e 10 MeV, dove va a ricadere la maggior parte della radiazione gamma prodotta da un'esplosione nucleare. Il meccanismo è relativamente indipendente dal numero atomico del materiale assorbente.

Produzione di coppie: interagendo con il campo elettromagnetico del nucleo, l'energia del fotone incidente è convertita nella massa di una coppia elettrone/positrone (un positrone è un elettrone carico positivamente). L'energia eccedente la massa a riposo delle due particelle (1,02 MeV) appare come energia cinetica della coppia e del nucleo. L'elettrone della coppia, in genere chiamato elettrone secondario, è molto ionizzante. Il positrone ha vita breve: si ricombina entro 10−8 secondi con un elettrone libero, dando vita a una coppia di fotoni gamma con un'energia da 0,51 MeV ciascuno emessi a 180° in modo da soddisfare il principio di conservazione della quantità di moto. La ricombinazione di particella e antiparticella si chiama annichilazione. Questo meccanismo diventa possibile con energie maggiori di 1,02 MeV e diventa un importante meccanismo di assorbimento con energie maggiori di 5 MeV. Gli elettroni secondari prodotti in uno di questi tre meccanismi spesso hanno abbastanza energia per ionizzare anch'essi. In più i raggi gamma, specialmente quelli ad alta energia, possono interagire con i nuclei atomici emettendo particelle (fotodisintegrazione) o eventualmente producendo fissione nucleare (fotofissione). In passato la distinzione tra raggi X e raggi gamma era basata sull'energia: veniva considerata raggio gamma una radiazione elettromagnetica ad alta energia. Tuttavia i moderni raggi X prodotti da acceleratori lineari per il trattamento del cancro hanno spesso energia maggiore (dai 4 ai 25 Mev) di quella dei classici raggi gamma prodotti dal decadimento nucleare. Il tecnezio-99m, uno dei più comuni isotopi emettitori di raggi gamma usati nella medicina nucleare, produce radiazione alla stessa energia (140 keV) di una macchina diagnostica a raggi X, ma molto minore di quella dei fotoni terapeutici di un acceleratore lineare. Oggi nella comunità medica la convenzione che la radiazione prodotta dal decadimento nucleare è l'unico tipo di radiazione chiamato gamma è ancora rispettata. A causa della sovrapposizione degli intervalli energetici oggi in fisica i due tipi di radiazione sono definiti in base alla loro origine: i raggi X sono emessi dagli elettroni (sia da quelli orbitali sia per bremsstrahlung) mentre i raggi gamma sono prodotti dai nuclei, da eventi di decadimento particellare o da eventi di annichilazione. Poiché non esiste un limite inferiore per l'energia dei fotoni prodotti dalla reazioni di decadimento nucleare, anche gli ultravioletti, ad esempio, potrebbero essere definiti raggi gamma. L'unica convenzione di denominazione che è ancora universalmente rispettata è quella che la radiazione elettromagnetica che sappiamo essere di origine nucleare è sempre definita come 'raggio gamma' e mai come raggio X. Comunque, in fisica e in astronomia, questa convenzione è spesso infranta In astronomia le radiazioni elettromagnetiche sono definite dall'energia, poiché il processo che le ha prodotte può essere incerto mentre l'energia dei fotoni è determinata dai rilevatori astronomici. A causa di questa incertezza per quanto riguarda la provenienza, in astronomia si parla di raggi gamma anche in seguito a eventi non radioattivi. Invece la supernova SN 1987A, che emette dei bagliori gamma provenienti dal decadimento del nichel-56 e del cobalto-56, è un caso astronomico di evento radioattivo. Nella letteratura astronomica si tende a scrivere 'raggi-gamma' con un trattino, a differenza dei raggi α o β. Questa notazione vuole sottolineare l'origine non nucleare della maggior parte de raggi-gamma astronomici. I raggi gamma forniscono molte informazioni riguardo ai fenomeni più energetici dell'universo. Poiché la gran parte della radiazione viene assorbita dall'atmosfera terrestre, gli strumenti per la rilevazione vengono montati a bordo di palloni ad alta quota o di satelliti, come il Fermi Gamma-ray Space Telescope, fornendoci la nostra unica immagine dell'universo dei raggi gamma. La natura energetica dei raggi gamma li ha resi utili per la sterilizzazione delle apparecchiature mediche, poiché uccidono facilmente i batteri attraverso un processo chiamato irradiazione. Questa loro capacità battericida li rende utili anche nella sterilizzazione delle confezioni alimentari. I raggi gamma sono usati per alcuni esami diagnostici di medicina nucleare, come ad esempio la tomografia a emissione di positroni (PET). Le dosi assorbite in questi casi sono giudicate poco pericolose, a fronte del beneficio portato dalle informazioni che l'esame fornisce. Nella PET viene spesso utilizzato il fluorodesossiglucosio, uno zucchero radioattivo, che emette positroni che si annichilano con gli elettroni producendo coppie di raggi gamma che evidenziano il cancro (poiché spesso le cellule tumorali hanno un tasso metabolico più alto dei tessuti circostanti). Il più comune emettitore usato nella medicina è l'isomero nucleare tecnezio-99m poiché emette radiazione dello stesso range energetico dei raggi X diagnostici. Un'altra procedura medica per il trattamento del cancro è la 'chirurgia a coltello-Gamma' in cui i fasci di raggi gamma vengono indirizzati da angoli diversi per concentrare la radiazione e per minimizzare il danno al tessuto circostante. I cambiamenti indotti dai raggi gamma possono essere anche usati per alterare le proprietà di pietre semi-preziose, ad esempio per cambiare il topazio in topazio blu. A irradiazione mediante raggi gamma sono anche sottoposte cultivar di interesse agroalimentare, per indurre mutazioni genetiche migliorative nel loro genoma: in questo modo, ad esempio, nel grano si sono ottenute caratteristiche di resistenza alle avversità poi trasfuse per incrocio nella varietà Creso, a seguito del lavoro dei genetisti del Centro della Casaccia CNEN, ora ENEA. L'astronomia a raggi gamma è una branca dell'astronomia dedicata allo studio delle emissioni gamma: la parte dello spettro della radiazione elettromagnetica con energia più elevata. Anche se non vi è un limite preciso, in genere i fotoni gamma sono quelli con un'energia superiori ai 100 keV. La radiazione inferiore ai 100 keV è classificata, almeno in astronomia, come raggi X ed è oggetto dell'astronomia a raggi X. I raggi gamma nell'ordine dei MeV vengono generati anche dalla radiazione solare (e persino nell'atmosfera terrestre durante i temporali), ma i raggi gamma di energia superiore al Gev non sono generati nel sistema solare e sono importanti nello studio dell'astronomia extra solare e soprattutto di quella extra galattica. I processi fisici che generano raggi gamma sono diversi e in alcuni casi coincidono con quelli che producono raggi X e, ad esempio, lo spettro di raggi gamma misurato da CANGAROO può essere paragonato allo spettro di raggi X a bassa energia. L'elenco dei fenomeni è lungo: l'annichilazione elettrone-positrone, l'Effetto Compton inverso e in alcuni casi anche il decadimento gamma nello spazio, che si riflettono su eventi estremi come supernove e ipernove, o il comportamento della materia in condizioni estreme, come nelle pulsar o le blazar (che emettono energia di grande intensità). Le energie dei fotoni più alte misurate finora sono dell'ordine dei TeV, nel 2004 è stato addirittura misurato un fotone di 80 TeV proveniente dalla Pulsar del Granchio, cedendo fotoni con più di 80 TeV ed attualmente è il fotone di massima energia misurata. Il numero dei fotoni gamma che arrivano nell'unità di superficie sulla terra diminuisce in maniera esponenziale con l'energia[8]. Per cui mentre i raggi gamma di energia inferiori a qualche decina di GeV possono essere rilevati direttamente nell'alta atmosfera con palloni o mediante satelliti, i raggi gamma molto energetici, cioè con fotoni di energia superiore a 30 GeV, debbono essere rilevati da esperimenti sulla Terra. Infatti i flussi di fotoni estremamente bassi a tali energie elevate richiedono aree rilevanti del rilevatore che sono impraticabili per gli attuali strumenti nello spazio. Fortunatamente questi fotoni ad alta energia, interagendo con l'atmosfera terrestre, producono ampie cascate elettromagnetiche di particelle secondarie che si muovono più velocemente della velocità della luce nel mezzo, ma che possono essere osservate da terra sia direttamente da contatori di radiazioni, sia per via ottica attraverso la radiazione Cherenkov emessa da queste cascate di particelle ultra-relativistiche. Questa tecnica, denominata in inglese Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT), attualmente raggiunge la massima sensibilità possibile. L'osservazione dei raggi gamma in astronomia è diventata possibile solo negli anni '60. La loro osservazione è molto più problematica di quella dei raggi X o della luce visibile perché i raggi gamma sono relativamente rari, infatti anche una sorgente intensa necessita di un tempo di osservazione molto lungo, anche parecchi minuti, prima di poterli rilevare. I raggi gamma si propagano in qualsiasi mezzo alla velocità della luce quindi non è possibile focalizzarli e anche se vi sono delle novità sperimentali la risoluzione spaziale è molto bassa. Per avere un'idea: la più recente generazione di telescopi a raggi gamma (2000) ha una risoluzione di circa 6 minuti d'arco per radiazione dell'ordine di grandezza dei Gev, quindi la Nebulosa del Granchio, che nel visibile appare come un oggetto esteso con molti dettagli, nei raggio gamma è un singolo "pixel". Persino ai raggi di bassa energia (1 keV) la risoluzione angolare della nebulosa del Granchio come vista dal Chandra X-ray Observatory è di 0,5 secondi d'arco e di circa 1.5 minuti d'arco nel campo di raggi X ad alta energia (100 KeV) visto dall'High-Energy Focusing Telescope" (2005). 

La radiazione gamma nell'ordine dei TeV emanata dalla Nebulosa del Granchio è stata rilevata per la prima volta nel 1989 dal Fred Lawrence Whipple Observatory (FLWO), sul monte Hopkins, in Arizona (Stati Uniti). I moderni esperimenti effettuati mediante il telescopio Cherenkov come H.E.S.S., CANGAROO III, VERITAS e MAGIC possono rilevare la nebulosa del granchio in pochi minuti. I primi due esperimenti studiano il cielo meridionale, invece gli altri due osservano l'emisfero nord e, mentre MAGIC utilizza un singolo telescopio per fornire una soglia di energia bassa compresa fra i 10 e i 30 GeV, gli altri osservatori utilizzano telescopi multipli per misurare la luce Cherenkov di uno sciame elettromagnetico, fornendo così un ottimo rigetto di ladroni e un'ottima risoluzione energetica. I fotoni più energetici (fino a 16 TeV) osservati da un oggetto extragalattico sono originari del blazar Markarian 501 (Mrk 501). Le osservazioni astronomiche in banda gamma sono tuttora limitate alle energie più basse dal flusso di raggi cosmici (prevalentemente non gamma) e alle alte energie dal numero di fotoni che possono essere rivelati (il flusso di fotoni decresce secondo una legge di potenza all'aumentare dell'energia). Rilevatori di superfici maggiori e una migliore riduzione della contaminazione da raggi cosmici di natura non gamma (prevalentemente protoni) sono essenziali per il progresso in questo campo. Una scoperta nel 2012 potrebbe consentire la messa a fuoco dei telescopi a raggi gamma: a energie fotoniche superiori a 700 keV l'indice di rifrazione comincia ad aumentare di nuovo. Swift, satellite della NASA, è stato lanciato nel 2004 ed equipaggiato con lo strumento BAT, che è specifico per le osservazioni di lampi di raggi gamma (Gamma ray burst). Swift Gamma Ray Burst Explorer, che ha portato anche altri due telescopi, è rimasto operativo fino al 2015. In seguito mediante Beppo-SAX e HETE-2, sono state osservate numerose controparti nella banda ottica e in banda X di tali Gamma Ray Burst. Queste osservazioni hanno permesso di determinare la distanza delle sorgenti e di studiare i resti di tali eventi esplosivi. Questi hanno dimostrato che la maggior parte delle esplosioni sono originate dalle esplosioni di stelle massicce (supernove e ipernove) in galassie lontane. Attualmente gli altri maggiori osservatori dei raggi gamma situati nello spazio sono il laboratorio INTErnational Astrophysics Gamma-Ray (INTEGRAL), il Gamma Ray Large Area Space Telescope (GLAST) e l'Astrorivelatore Gamma ad Immagini Leggero (AGILE):

  • INTEGRAL (lanciato il 17 ottobre 2002) è una missione dell'ESA con ulteriori contributi della Repubblica ceca, della Polonia, degli Stati Uniti e della Russia.
  • AGILE è una piccola missione italiana da parte della collaborazione ASI, INAF e INFN, iniziativa antecedente alla missione GLAST e utilizzata per fornire dati astronomici alle energie GeV. È stato lanciato con successo dal razzo indiano PSLV-C8 dalla base di Sriharikota ISRO il 23 aprile 2007.
  • GLAST, successore pianificato di EGRET, rinominato Fermi dopo il lancio, è stato lanciato dalla NASA l'11 giugno 2008. Esso offre un fattore di otto aree più sensibili ai raggi γ rispetto a EGRET, che combinato con un campo di visione molto più ampio e una migliore energia e risoluzione spaziale forniscono un guadagno molto grande di sensibilità rispetto a EGRET. Infine Fermi include LAT, il telescopio ad ampia superficie, e GBM, il GLAST Burst Monitor, per studiare i gamma ray burst.

Nel novembre 2010, utilizzando il Fermi Gamma-ray Space Telescope, sono state rilevate due gigantesche bolle a raggi gamma, che si estendono per circa 25.000 anni luce nel cuore della nostra galassia. Si sospetta che queste bolle di radiazioni ad alta energia provengano o da un enorme buco nero o dalle formazioni stellari avvenute milioni di anni fa. Queste bolle sono state scoperte dopo che gli scienziati hanno filtrato la "nebbia di raggi gamma di fondo che pervade il cielo". Questa scoperta ha confermato precedenti indizi che una grande "struttura" sconosciuta era al centro della Via Lattea. Nel 2011 il team Fermi ha rilasciato il suo secondo catalogo di sorgenti a raggi gamma rilevati dal Large Area Telescope (LAT) del satellite, che ha prodotto un inventario di 1.873 oggetti che emettono raggi gamma. Il 57% delle fonti sono Blazars. Più della metà delle sorgenti sono galassie attive e i loro buchi neri centrali hanno generato le emissioni di raggi gamma rilevate dalla LAT. Un terzo delle sorgenti non ha prodotto radiazione a lunghezza d'onda diversa. Gli osservatori terrestri dei raggi gamma comprendono HAWC, MAGIC, HESS, e VERITAS. I principali problemi con i rilevatori a raggi gamma situati nello spazio, tuttavia, sono i vincoli tecnici, infatti gli osservatori terrestri sondano una gamma di energie superiori rispetto agli osservatori spaziali, poiché le loro aree efficaci possono essere molti ordini di grandezza più grandi di un satellite.


Come abbiamo detto la nascita dei GRB è legata a due eventi: alla collisione di due stelle di neutroni e alle supernove. Ma esistono tipi speciali di entrambi: clicca sui bottoni qui sotto per vedere i nostri articoli sulle Magnetar (un particolare tipo di stella di neutroni) e/o sulle Supernove 1a (un particolare tipo di supernova)


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