Temi di scientifici del CTAO
L’astronomia gamma ha solo pochi decenni di vita ma ha un enorme potenziale scientifico, come dimostra l’ultima generazione di strumenti che ha rivelato circa 200 sorgenti di raggi gamma. Grazie alle prestazioni superiori, le potenzialità del CTAO includono la comprensione approfondita di oggetti noti, la prospettiva di rivelare nuove classi di sorgenti gamma, oltre a un grande potenziale per scoperte fondamentalmente nuove, dal momento che diventerà almeno un migliaio il numero di sorgenti gamma conosciute.
Il CTAO trasformerà la nostra comprensione dell’Universo ad alta energia, cercando di dare risposta a un’ampia gamma di domande di astrofisica e di fisica fondamentale.
- Comprendere l’origine e il ruolo delle particelle cosmiche relativistiche
- Sondare gli ambienti estremi
- Esplorare le frontiere della fisica
Tema I: Comprendere l’origine e il ruolo delle particelle relativistiche
Anche se vengono chiamati “raggi”, i raggi cosmici sono di fatto comuni particelle atomiche. Sono costituiti per il 99% da protoni e nuclei di elio, mentre il restante 1% comprende nuclei più pesanti, elettroni, muoni e altre particelle. Nonostante siano particelle “normali”, i raggi cosmici sono particolari perché vengono accelerati a energie straordinariamente elevate e viaggiano a una velocità molto vicina a quella della luce. I raggi cosmici bombardano costantemente la Terra, ma, nonostante una ricerca lunga un secolo, sappiamo molto poco della loro origine e del ruolo che svolgono nella nostra Galassia e oltre. Ciò è dovuto al fatto che i raggi cosmici sono carichi elettricamente e quindi il loro percorso viene deviato dai campi magnetici tra le sorgenti e la Terra, rendendo impossibile risalire alla loro direzione di origine.
Ciò che sappiamo è che i raggi cosmici sono i progenitori dei raggi gamma osservati dal CTAO. I raggi gamma sono prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici e costituiscono il mezzo più preciso per studiarli all’interno e intorno alle sorgenti. I raggi gamma non sono carichi elettricamente e quindi il loro percorso verso la Terra è privo di deviazioni e permette di trasportare informazioni relative alle sorgenti e alle particelle relativistiche che li hanno creati. L’ampia copertura energetica e la risoluzione angolare senza precedenti del CTAO permetteranno di cercare le possibili sorgenti di raggi cosmici all’interno della nostra Galassia e al di fuori di essa e di mappare il ruolo che essi svolgono nei processi di feedback in atto durante la formazione delle stelle e l’evoluzione delle galassie.
Sorgenti obiettivo di studio
Resti di Supernova (SNR dall’inglese Supernova Remnant)
Prodotti dall’interazione con la materia circostante espulsa quando una stella massiccia muore in un’esplosione di supernova , gli SNR dovrebbero essere dei “PeVatroni”, sorgenti in grado di accelerare particelle fino a energie di Peta-elettronVolt o PeV (mille miliardi di volte più energetiche della luce visibile)
Nebulose da vento di pulsar (PWN dall’inglese Pulsar Wind Nebula)
Queste sorgenti nascono quando il vento ultraveloce di particelle espulse dalle pulsar, i resti dell’esplosione di alcune stelle massicce, si abbatte sul mezzo circostante. L’interazione crea un’onda d’urto in cui le particelle vengono accelerate, diffondendosi e formando la PWN. Le particelle emettono radiazioni che possono raggiungere le energie dei raggi gamma. La Nebulosa del Granchio è una delle PWN più famose e funge da candela standard per l’astronomia dei raggi gamma.
Regioni di formazione stellare
I raggi cosmici possono svolgere un ruolo importante nella regolazione del processo di formazione delle stelle; quindi, è importante capire dove vengono accelerati, come si propagano e dove interagiscono nel mezzo interstellare. L’interazione dei raggi cosmici negli ambienti di formazione stellare porta all’emissione di raggi gamma. Quindi, le osservazioni dei sistemi di formazione stellare con il CTAO dovrebbero fornire informazioni sulla relazione tra le particelle di alta energia e il processo di formazione stellare.
Tema II: Sondare gli ambienti estremi
I raggi gamma che il CTAO rivelerà hanno un’energia ben superiore a quella dei raggi X o dei raggi gamma rivelati dagli strumenti spaziali. In quanto tali, codificano informazioni sui processi fisici in atto in alcuni degli ambienti più energetici dell’Universo. Particolarmente interessanti sono i buchi neri, le stelle di neutroni e le nane bianche, definiti ‘oggetti compatti’ per la loro alta densità e forte attrazione gravitazionale, prodotti dall’esplosione di stelle massicce giunte al termine della propria vita. Forti campi magnetici, dischi di accrescimento, getti di luce e particelle relativistiche, potenti venti intorno a questi oggetti compatti, li rendono obiettivi chiave per l’astronomia dei raggi gamma. Le potenzialità del CTAO permetteranno di studiare i meccanismi fisici di questi oggetti con un livello di precisione senza precedenti.
Sorgenti obiettivo di studio
Nuclei galattici attivi (AGN dall’inglese Active Galactic Nucleus)
Alcune galassie ospitano al centro buchi neri supermassicci, fino a decine di miliardi di volte più massicci del Sole, che, esercitando un’intensa attrazione gravitazionale portano la materia circostante a formare un disco di accrescimento e a diventare molto luminoso. Tali galassie sono note come nuclei galattici attivi (o AGN). Alcuni di questi AGN presentano getti relativistici, composti da raggi cosmici che si muovono quasi alla velocità della luce.
Pulsar
Nel processo di collasso di alcune stelle massicce, man mano che il raggio della stella diminuisce, il campo magnetico diventa più intenso e la velocità di rotazione del nucleo residuo aumenta, spesso ruotando molte volte al secondo. Si crea così una stella di neutroni. Esiste un tipo di stelle di neutroni particolarmente interessante per il CTAO: le pulsar. Molto dense e in rapida rotazione, le pulsar emettono luce sotto forma di due fasci che diventano visibili quando attraversano il nostro campo di vista, trasformandosi in “fari cosmici”.
Sistemi binari
I sistemi binari sono composti da due oggetti che orbitano strettamente l’uno intorno all’altro. Stelle molto più massicce del Sole possono avere venti molto potenti che, nei sistemi binari stellari, si scontrano e possono accelerare le particelle, producendo raggi gamma. Quando una delle componenti del sistema binario è un oggetto compatto, come un buco nero o una stella di neutroni, essa attira materia dalla stella compagna, che forma un disco di accrescimento, e emette getti in cui le particelle vengono accelerate e si producono raggi gamma. In alcuni casi, l’oggetto compatto è una nana bianca che raccoglie materia dalla stella compagna. A causa dell’accumulo di materiale sulla superficie della nana bianca, il processo può causare un improvviso e sensibile aumento di luminosità noto come nova, visibile anche nella banda dei raggi gamma. A differenza delle esplosioni di supernova che segnano la fine della vita di una stella, le nove sono eventi ricorrenti.
Tema III: Esplorare le frontiere della fisica
La maggiore sensibilità degli strumenti e l’ampio intervallo di copertura energetica portano le scoperte nell’ambito dei fenomeni di fisica fondamentale, ma anche il comportamento dell’Universo al suo livello più elementare, alla portata del CTAO. In particolare, il CTAO cercherà di scoprire la natura e le proprietà della materia oscura, di sondare l’esistenza di particelle simili agli assioni e di verificare eventuali deviazioni dalla teoria della relatività speciale di Albert Einstein. Ognuna di queste scoperte rappresenterebbe una rivoluzione per la fisica delle particelle e la cosmologia.
Sorgenti obiettivo di studio
Materia oscura
Si pensa che la materia oscura, che si manifesta solamente grazie ai suoi effetti gravitazionali, rappresenti una parte molto maggiore della massa totale dell’Universo rispetto alla materia ordinaria, ma la sua natura rimane uno dei più grandi misteri della scienza. Il CTAO cercherà di trovare la materia oscura osservando i raggi gamma emessi come conseguenza dell’annichilazione di particelle di materia oscura (dette WIMP – Weakly Interacting Massive Particles – particelle di grande massa debolmente interagenti). Gli strumenti attuali non sono abbastanza sensibili per rivelare il segnale previsto dai modelli, ma il CTAO raggiungerà questa sensibilità critica.
Gravità quantistica
È stato ipotizzato che gli effetti della gravità quantistica possano indurre ritardi temporali tra fotoni di diversa energia che viaggiano su grandi distanze; in altre parole, i fotoni potrebbero essere dispersi nello spazio in modi diversi a seconda della loro energia, il che implicherebbe una deviazione dalla teoria della relatività speciale di Einstein, nota come ‘Violazione dell’Invarianza di Lorentz’. L’osservazione di raggi gamma provenienti da sorgenti molto luminose permetterà al CTAO di sondare tali effetti con una rilevanza statistica senza precedenti.
Vuoti cosmici
La maggior parte dell’Universo è quasi vuota, con la materia raggruppata in ammassi di galassie, superammassi e filamenti, separati da enormi spazi vuoti. Quanto questi vuoti siano realmente tali è oggetto di grande dibattito, ma si ritiene che possano contenere resti dei primi momenti dell’Universo. Per sondare questi vuoti, il CTAO cercherà un ingrediente noto nello spazio tra gli ammassi di galassie: la luce di fondo extragalattica (Extragalactic Background Light – EBL). L’EBL rappresenta la luce emessa da tutte le galassie dalla nascita dell’Universo e contiene indizi sulla storia della formazione stellare. Quando i raggi gamma si scontrano con i fotoni dell’EBL, generano una specifica firma nello spettro, o “impronta digitale”, che può essere misurata dal CTAO per capire come si è formato l’Universo.
Astronomia multi-banda e multi-messaggera
L’astronomia multi-banda si riferisce all’approccio scientifico di osservare la luce dell’Universo a diverse energie, dalle onde radio ai raggi gamma. Inoltre, il Cosmo fornisce informazioni attraverso altri messaggeri oltre alla luce: possiamo studiarlo osservando direttamente i raggi cosmici, i neutrini o le onde gravitazionali. La combinazione dei dati provenienti da fotoni e altri messaggeri è nota come astronomia multi-messaggera. Poiché diverse lunghezze d’onda e messaggeri diversi sono legati a vari e differenti processi fisici, integrando le osservazioni provenienti da strumenti e osservatori diversi gli scienziati possono realizzare un quadro più completo dei fenomeni astrofisici.
Il CTAO avrà un ruolo chiave nei prossimi decenni sia nel campo delle osservazioni multi-banda che in quelle multi-messaggere, grazie alle migliori prestazioni che permetteranno di fornire informazioni fondamentali nella banda dei raggi gamma per sondare gli scenari più estremi.
Sorgenti obiettivo di studio
Transienti
L’Universo ospita una variegata popolazione di oggetti astrofisici che esplodono, si accendono o intensificano l’attività in modo notevole e imprevedibile nell’intero spettro elettromagnetico e su un ampio intervallo di tempi, dai millisecondi agli anni. Si sa che molti di essi, definiti collettivamente “transienti”, sono importanti emettitori di raggi gamma di alta energia e sono anche probabili sorgenti di messaggeri non legati alla luce, come raggi cosmici, neutrini o onde gravitazionali. Le sorgenti transienti sono di grande interesse scientifico, essendo associate a eventi catastrofici che coinvolgono oggetti compatti come stelle di neutroni e buchi neri, che prosperano nelle condizioni fisiche più estreme del nostro Universo. Grazie all’eccezionale sensibilità ai raggi gamma di altissima energia su scale temporali molto brevi, il CTAO ha il potenziale per dare nuovo impulso alla comprensione della fisica dei transienti cosmici e alla scoperta di classi completamente nuove di sorgenti transienti.
Lampi di luce gamma (GRB dall’inglese Gamma-Ray Burst)
GRB sono esplosioni molto energetiche, tra gli eventi più luminosi del nostro Universo. Questi fenomeni transitori possono essere classificati come “brevi”, se la loro fase iniziale dura meno di un paio di secondi, o
“lunghi”, se durano di più, fino a centinaia o addirittura migliaia di secondi. I lampi gamma brevi sono prodotti dalla collisione di stelle di neutroni, mentre si ritiene che la maggior parte dei lampi gamma lunghi sia generata da esplosioni di supernova particolarmente energetiche, talvolta chiamate “ipernove”. I GRB sono sorgenti molto interessanti per le osservazioni multi-banda e multi-messaggere, poiché emettono luce in tutto lo spettro elettromagnetico e possono produrre neutrini, raggi cosmici e onde gravitazionali.