Galileo: Astronomie esotiche [G3200ESO.HTM]

LE ASTRONOMIE ESOTICHE

Le onde gravitazionali, i segnali piu' deboli dell'Universo

L'irraggiamento di onde gravitazionali da parte di masse accelerate e' un fenomeno previsto dalla Relativita' Generale ma di difficilissima individuazione sperimentale a causa della loro debole intensita'. Le maggiori sorgenti cosmiche di onde gravitazionali sono eventi catastrofici che emettono un'enorme quantita' di energia: esplosioni di stelle che portino a supernovae, nuclei galattici attivi con al centro buchi neri di grande massa, urto e fusione di stelle di grande massa, interazioni di buchi neri.
Sebbene a tutt'oggi non siano ancora state rivelate con certezza, lo studio delle onde gravitazionali si aggiunge a quello degli altri segnali cosmici, cioe' onde elettromagnetiche e particelle, per farci meglio comprendere quello che gia' conosciamo e forse scoprire aspetti del tutto inattesi.

Un'onda gravitazionale produce su ogni oggetto una debolissima forza della durata di circa un millesimo di secondo, che ha il risultato di deformare temporaneamente l'oggetto e indurlo a vibrare alla frequenza dell'onda. Le antenne risonanti sono rivelatori di onde gravitazionali che misurano le vibrazioni meccaniche di un corpo avente un alto fattore elastico e una grande massa (diverse tonnellate).

Un trasduttore, che e' analogo ad un sensibilissimo microfono, converte le deboli variazioni di forma dell'antenna in segnali elettrici, che vengono poi amplificati e registrati. L'ampiezza massima dell'oscillazione e' inferiore a un millesimo della dimensione di un nucleo atomico, e solo un estremo isolamento meccanico e termico puo' permetterne la rivelazione. L'isolamento dalle vibrazioni e' ottenuto sospendendo l'antenna per la sezione mediana mediante cavi, formando un pendolo a molti stadi.
Per ridurre le vibrazioni spontanee l'antenna viene raffreddata alle piu' basse temperature possibili: le antenne ultracriogeniche raggiungono circa un decimo di grado sopra lo zero assoluto (-273 C).

AURIGA

Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e' installato il rivelatore di onde gravitazionali AURIGA, basato su di un'antenna ultracriogenica (cioe' mantenuta a bassissima temperatura).

I vari contenitori che formano il criostato (apparato raffreddatore) e che costituiscono l'antenna ultracriogenica AURIGA.(JPEG, 230 K)
(INFN)

LISA

La sonda LISA (Large Interferometry Space Antenna) dell'ESA, che verra' lanciata dopo il 2005, fa parte di un gruppo di sei satelliti identici che avranno il compito di rilevare le onde gravitazionali previste dalle teorie di Einstein.

Essi verranno disposti a due a due sui vertici di un triangolo equilatero immaginario con i lati di 5 milioni di chilometri in orbita attorno al sole. Raggi laser inviati da un vertice all'altro del triangolo per misurare con precisione infinitesimale le variazioni della distanza tra i satelliti...
Questo sistema e' una specie di gigantesca antenna nello spazio che sara' in grado di rilevare le onde gravitazionali previste dalla teoria della relativita' generale di Einstein, che si propagherebbero attraverso l'universo alla velocita' della luce, con l'effetto di provocare una deformazione dello spazio. Einstein aveva ragione?

Sorgenti cosmiche di neutrini

I neutrini per loro natura interagiscono debolissimamente con qualunque tipo di materia. Questo pone problemi cosi' delicati per la loro rivelazione che i 'telescopi' vengono posti in gallerie a grandi profondita'. Essendo elettricamente neutri, i neutrini non possono essere osservati direttamente ma si possono individuare le conseguenze dei loro rarissimi urti con altre particelle: se un neutrino collide con un elettrone, puo' cedere a questo parte della sua energia cinetica. L'elettrone viene messo in movimento e puo' venire facilmente osservato.
In particolare se l'urto avviene in un fluido, l'elettrone ad alta velocita' emette una radiazione luminosa che ne permette l'individuazione e la misura di energia, da cui si risale a quella del neutrino primario. Dato che i neutrini non decadono in altre particelle, ci si aspetta che essi siano estemamente abbondanti nell'Universo, con flusso dipendente dalla loro energia.
Neutrini vengono prodotti in particolare nel centro del Sole e delle stelle, associati alle reazioni termonucleari che avvengono alle altissime temperature e densita' del loro interno. Altissimi fiotti di neutrini accompagnano anche le esplosioni di supernovae. Inoltre, l'Universo dovrebbe essere pieno di 'neutrini fossili' provenienti dal Big Bang, l'esplosione primigenia.

LVD

Il rivelatore di neutrini cosmici LVD (Large Volume Detector) e' installato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. LVD usa la tecnica dei contatori a scintillazione liquidi. La massa di scintillatore sfiora le 2000 tonnellate, e fa di LVD il massimo rivelatore di questo tipo mai realizzato al mondo. (INFN)

Veduta artistica delle sale sotterranee dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN.(JPEG, 413 K)
(INFN)

Struttura meccanica dell'esperimento LVD in fase di montaggio nella sala sotterranea A dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso.(JPEG, 442 K)
(INFN)

La pioggia cosmica

Un flusso continuo di raggi cosmici, che non sono radiazione elettromagnetica bensi' particelle elementari, cioe' nuclei atomici e particelle subnucleari, dagli abissi dello spazio raggiunge la nostra atmosfera: qui le particelle si moltiplicano in una fantastica cascata di interazioni successive a creare un'invisibile e innocua `pioggia cosmica' che colpisce continuamente ciascuno di noi alla frequenza di circa 4000 particelle cariche al minuto.
I raggi cosmici consistono per lo piu' di protoni e nuclei di elio, in aggiunta a una componente di neutrini piu' difficilmente rivelabile e a una di fotoni di altissime energie. I raggi cosmici provengono dal Sole, dalle supernove e da altre sorgenti all'interno della Via Lattea, ma possono giungere anche da piu' lontano.
Lo studio dei raggi cosmici ci permette di indagare il cosmo attraverso segnali di alta energia, di studiare la fisica fondamentale ad energie irraggiungibili negli acceleratori qui sulla Terra e di ottenere preziose indicazioni sulle prime fasi di evoluzione dell'Universo.

CLUE

CLUE (Cerenkov Light Ultraviolet Experiment) e' un telescopio per luce ultravioletta, progettato per l'osservazione della radiazione emessa dagli sciami atmosferici prodotti da raggi cosmici di alta energia.
Attualmente 4 di tali telescopi sono in funzione sul Roque de los Muchachos nell'isola di La Palma alle Canarie (Spagna).
CLUE e' realizzato da gruppi dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Padova, Pisa, Trieste, Napoli.

Uno dei rivelatori CLUE, telescopi Cerenkov in luce ultravioletta, installati nel complesso del Progetto HEGRA alle Canarie. Lo specchio parabolico ha 1,8 m di lunghezza focale. Questo apparato capta solo la componente ultravioletta della `luce Cerenkov' prodotta da uno sciame generato da un raggio cosmico, ed e' `cieco' alla luce visibile, per cui la sua estrema sensibilita' non viene disturbata dalla luce emessa da stelle brillanti o dalla Luna. Sullo sfondo e' visibile il Telescopio nazionale Galileo. (JPEG, 172 K)
(INFN)