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Astronomia

Oltre l'atmosfera terrestre

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Il 1962 è l'anno delle prime osservazioni nel campo delle alte energie effettuate al di fuori o per lo meno ai margini dell'atmosfera terrestre.
La svolta del 1962 si può comprendere mettendo in evidenza l'effetto di assorbimento dell'atmosfera terrestre sulla radiazione proveniente non solo dal Sole ma anche dalle altre sorgenti stellari ed extragalattiche.

L'atmosfera nei confronti delle onde elettromagnetiche che la investono dall'esterno agisce come un filtro selettivo, trasmettendone alcune e bloccandone altre. Tale comportamento è il risultato di una complessa serie di processi fisici che si instaurano nei vari strati dell'atmosfera, dagli strati più esterni della ionosfera, sino a quelli più densi, vicino alla superficie terrestre. Questo filtro selettivo, che racchiude e protegge la Terra, svolge una benefica azione su tutti gli organismi viventi, per i quali molte delle radiazioni che provengono dall'esterno sono estremamente nocive.

Lo stesso meccanismo di filtraggio ha però un effetto limitante per le osservazioni astronomiche in quanto la finestra ottica è solo una porzione limitata dell'intero spettro elettro-magnetico. La prima svolta oltre il visibile si è avuta con la costruzione dei primi radiotelescopi che, pur osservando in una banda differente da quella ottica, sono però istallati al suolo in quanto le onde radio possono filtrare liberamente attraverso l'atmosfera terrestre. Nel limite fortemente energetico dello spettro elettromagnetico, regione X e gamma, come comportarsi? La regione dei raggi gamma occupa la parte a più alta energia dello spettro con frequenze superiori ai 10¹⁸ Hz e lunghezze d'onda inferiori ad 1 Ångstrom (1 Å = 10^-10 m) mentre quella dei raggi X si estende sino a lunghezze d'onda di circa 300 Å.

Le osservazioni astronomiche nelle bande X e gamma possono essere effettuate solamente a grandi altitudini, poiché per la radiazione elettromagnetica in queste bande si produce un completo assorbimento, dovuto ad effetto fotoelettrico, negli alti strati dell'atmosfera terrestre. È stato solamente con il lancio di strumentazione scientifica a bordo di palloni sonda e razzi, che uscivano dall'atmosfera, che l'uomo ha potuto osservare il cielo nella banda X.

Il fisico Bruno Rossi, uno dei collaboratori di E. Fermi al progetto Manhattan, si può considerare il padre fondatore della astronomia a raggi X. Sotto l'impulso di B. Rossi un'altro fisico italiano, Riccardo Giacconi premio nobel del 2002, compì nel 1962 il primo esperimento di osservazione nella banda X. Il 18 giugno del 1962 Giacconi lanciò un razzo del tipo Aerobee nella speranza di poter captare in raggi X emessi dalla superficie lunare e causati dall'urto delle particelle cariche del vento solare con il suolo lunare. Le prime osservazioni erano assai rudimentali e duravano per un breve periodo, qualche minuto, prima del rientro del razzo nell'atmosfera. Fu perciò con grande sorpresa che il contatore di raggi X , scandagliando il cielo, registrò un'intensa emissione di raggi X tra 0,2 e 0,8 nanometri molto più intensa di quella solare. La sorgente era osservata nella direzione della costellazione dello Scorpione e per questo fu nominata come Sco X-1; era nata l'astronomia ai raggi-X.
Tale fatto costituiva una vera sorpresa per le conoscenze del tempo, cosicché si moltiplicarono gli sforzi per costruire strumentazione sempre più sofisticata ed efficiente, in grado di volare a bordo di palloni stratosferici, di razzi ed in seguito di satelliti artificiali. Le prime osservazioni misero in luce emissioni nella banda X da parte della Nebulosa del Granchio, che contiene un resto di supernova, la radiogalassia vicina M87, varie sorgenti X stellari con emissione variabile ed una radiazione X con fondo diffuso.

Fu nel 1970, con il lancio del primo satellite per l'astronomia X, l'Osservatorio UHURU, che si riuscì ad ottenere una mappa del cielo nella banda X ed una osservazione sistematica delle sorgenti X variabili. Queste ultime risultarono essere composte da un sistema binario, nel quale la sorgente X veniva periodicamente eclissata dal proprio compagno. In alcuni casi le sorgenti X binarie contenevano una sorgente X pulsante, che si rivelò essere una stella di neutroni in rapida rotazione. In questo caso l'emissione di raggi X era dovuta ad un processo di accrescimento, nel corso del quale una certa quantità di materia, proveniente dalla stella compagna, viene attratta e cade sulla stella di neutroni seguendo le linee dell'intenso campo magnetico, che la circonda.
La stima della massa della sorgente X spesso era consistente con la massa che ci si attende per una stella di neutroni, ma in alcuni casi il limite teorico per la massa di una stella di neutroni veniva superato. Tali sorgenti non potevano quindi essere che buchi neri e queste osservazioni furono la prima evidenza osservativa della loro possibile esistenza. I nuclei delle galassie attive si rivelarono intense sorgenti X spesso a carattere variabile. In questi casi l'emissione X è dovuta a particelle di gas, che si muovono a velocità elevatissime nei pressi del nucleo galattico, anche se non tutte le fasi del complesso meccanismo sono ancora note. Ben chiarito risulta invece il meccanismo di emissione X negli ammassi di galassie. In questi casi l'emissione è estesa e riempie completamente il centro dell'ammasso; essa è dovuta al movimento a velocità elevatissime delle particelle del tenue gas che riempie gli spazi intergalattici. Alla fine degli anni settanta l'astronomia X visse un grande momento di notorietà: con il lancio dell'Osservatorio Einstein, che fornì le prime immagini ad alta risoluzione delle sorgenti X. Grazie alla sensibilità molto maggiore della strumentazione di bordo, l'Osservatorio Einstein rivelò la presenza di un gran numero di sorgenti X Tra i risultati più significativi ricordiamo la scoperta che si ha emissione X da parte delle stelle e delle galassie di tutti i tipi e non solo di alcune classi peculiari di tali corpi celesti. Da allora le misure del Satellite Rosat e più recentemente quelle di Chandra hanno portato straordinari contributi alla nostra conoscenza dei processi fisici alle alte energie nel mezzo interstellare ed intergalattico.