I due autori dello studio pubblicato su A&A, Marco Padovani (a sinistra) e Daniele Galli (a destra). Crediti: Inaf
Un articolo pubblicato lo scorso novembre su Astronomy & Astrophysics ha per protagonisti tre strumenti che – dal più vecchio al più giovane – coprono un arco temporale di almeno mezzo secolo. Uno strumento del passato, sebbene ancora in piena forma. Uno del presente. E uno del futuro, ancora in fase di costruzione.
Partiamo da quest’ultimo, Ska, lo Square Kilometre Array: in fase di realizzazione fra Sud Africa e Australia, già da tempo sta catalizzando l’interesse degli scienziati, che vogliono farsi trovare all’appuntamento del taglio del nastro – o più propriamente della prima luce, trattandosi di un telescopio – con le idee ben chiare su come sfruttarlo al meglio, senza perdere tempo prezioso. Ed è proprio questo lo scopo dello studio uscito su A&A: in particolare, gli autori hanno provato a valutare le potenzialità di Ska come strumento per la rilevazione dell’emissione di sincrotrone nelle nubi molecolari – incubatrici cosmiche nelle quali si formano le stelle.
E come ci hanno provato? È qui che entrano in gioco lo strumento del presente e quello del passato. Il primo è Ams, l’Alpha Magnetic Spectrometer attualmente a bordo della Stazione spaziale internazionale, un rivelatore di particelle progettato per studiare la materia oscura e l’antimateria. L’altro, quello del passato, è nientemeno che l’intramontabile Voyager 1, la sonda Nasa lanciata oltre quarant’anni fa, nel 1977, e oggi l’oggetto artificiale più lontano dalla Terra – oltre 41 miliardi di km.
Ma cosa c’entrano Ams e Voyager 1 con la radiazione di sincrotrone proveniente dalle nubi molecolari che si vorrebbe studiare con Ska? Lo abbiamo chiesto al primo autore dello studio, Marco Padovani, ricercatore postdoc all’Inaf di Arcetri – con una borsa Marie Skłodowska-Curie del programma AstroFit2 – nonché musicista (domenica 27 gennaio, in occasione del Giorno della Memoria, eseguirà al pianoforte musiche di Bloch, Castelnuovo Tedesco, Massarani, Rieti e Sinigallia durante l’evento “ASTRI perseguitati: astronomi e musicisti sotto le leggi razziali”, in programma alle 17 all’Osservatorio astrofisico di Arcetri).
Padovani, partiamo dall’oggetto principale dello studio che ha condotto insieme a Daniele Galli, la radiazione di sincrotrone: di cosa si tratta?
«Il sincrotrone, parola che viene dalla locuzione inglese synchronised electrons, ovvero elettroni sincronizzati, è quella particolare radiazione che viene emessa da elettroni (e positroni) mentre si propagano lungo le linee di campo magnetico. Per essere più precisi, a causa della forza di Lorentz gli elettroni in un campo magnetico girano vorticosamente intorno alle linee di forza. Questo processo fa sì che gli elettroni perdano poco a poco energia emettendo fotoni, ovvero luce, in un particolare intervallo di frequenza che Ska potrà osservare».
E questa luce cosa può dirci, sui campi magnetici presenti nelle nubi molecolari?
«Dalla teoria sappiamo che più l’intensità del campo magnetico è alta, maggiore sarà la quantità di fotoni emessi. Di conseguenza, dall’osservazione dell’emissione di sincrotrone è possibile avere informazioni sull’intensità del campo magnetico. Ma c’è un altro aspetto da considerare».
Quale?
«Questi elettroni interstellari responsabili per l’emissione di sincrotrone vengono accelerati durante le fasi finali della vita di stelle massicce, nella fase di supernova. Quando terminano il loro ciclo vitale, queste stelle esplodono creando delle potentissime onde d’urto che accelerano le particelle cariche che si trovano nei dintorni: protoni, nuclei pesanti e anche elettroni. Queste particelle, inizialmente “lente”, una volta accelerate prendono il nome di raggi cosmici».
E qui arriviamo alla vostra misura. Avete usato due strumenti che, in apparenza, con il futuro Ska proprio non hanno nulla a che fare: Ams e Voyager 1. Nessuno dei due è progettato per osservare le nubi molecolari. A cosa vi sono serviti, allora?
«Ams ci dà informazioni sui raggi cosmici di alta energia, mentre i rivelatori a bordo del Voyager 1 ci dicono qual è il flusso di raggi cosmici a bassa energia. Nell’agosto 2012 la sonda Voyager 1 ha oltrepassato l’eliopausa, uscendo dalla regione dominata dal vento solare che respingeva i raggi cosmici di bassa energia verso il mezzo interstellare. Adesso, essendo uscito dalla regione influenzata dal Sole, Voyager 1 ci sta dando informazioni sui raggi cosmici anche alle basse energie».
Prima ci stava dicendo che le particelle dei raggi cosmici possono essere di diversi tipi – protoni, nuclei pesanti, elettroni… A voi quali interessano?
«Come accennavo poco fa, sia la sonda Voyager 1 che Ams ci danno informazioni su tutte le componenti dei raggi cosmici, ma solo quella elettronica emette radiazione di sincrotrone. Nel nostro articolo mostriamo che – alle frequenze alle quali osserverà Ska (fra 0.06 e 12 gigahertz) e per l’intensità dei campi magnetici attesi in regioni di formazione stellare (fra 0.01 e 1 milligauss) – gli elettroni che emettono sincrotrone sono quelli con energie fra 0.1 e 10 gigaelettronvolt (GeV). Con precedenti strumenti non si poteva scendere sotto i 0.5 GeV, ma il Voyager 1 al momento ci dà informazioni sul flusso di elettroni giù fino a 0.003 GeV. Per questo la rilevanza di queste misure è tanto importante».
Alla fine cosa avete concluso? Ska avrà qualche possibilità di tracciarli, questi campi magnetici?
«Nel nostro lavoro abbiamo elaborato un modello teorico per capire cosa sarà in grado di osservare Ska, e siamo arrivati alla conclusione che Ska avrà sufficiente sensibilità per poter osservare facilmente l’emissione di sincrotrone nelle regioni di formazione stellare con poco tempo di osservazione. Inoltre non bisogna dimenticare che il campo di vista di Ska sarà molto grande e si potranno osservare parti molto estese di una nube molecolare. Grazie poi alla sua altissima risoluzione, si potranno avere informazioni sull’intensità del campo magnetico sulle piccole scale».
Queste informazioni cosa ci potranno dire, che ancora non sappiamo?
«La presenza dei campi magnetici nelle regioni di formazione stellare ci permette di spiegare molti processi, quali il collasso di una nube molecolare e la formazione di protostelle al proprio interno così come la collimazione dei getti protostellari. Sono state ideate molte tecniche per avere informazioni sull’intensità e la geometria dei campi magnetici nelle regioni di formazione stellare, ma in genere questi metodi permettono solo di stimare una componente del campo magnetico (lungo la linea di vista o la sua proiezione nel piano del cielo) e per regioni spaziali molto limitate. In più parliamo di tecniche piuttosto dispendiose in termini di tempo osservativo. Finora le osservazioni dell’emissione di sincrotrone erano state prese poco in considerazione, per la non sufficiente sensibilità dei telescopi disponibili e poiché la componente elettronica del flusso di raggi cosmici non era stata ben caratterizzata. Facendo “parlare“ Voyager e Ska, quindi strumenti del passato e del futuro, saremo finalmente in grado di caratterizzare i campi magnetici nelle regioni di formazione stellare come non era stato possibile fare finora».
A proposito di Voyager: e la sonda gemella, la numero due? Potrà servirvi anch’essa?
«Nel novembre del 2018 anche la sonda Voyager 2, lanciata qualche settimana prima del Voyager 1, ha oltrepassato l’eliopausa, in un’altra direzione. Dunque sì, sarà molto interessante vedere se i dati del Voyager 2 saranno o meno confrontabili con quelli del Voyager 1. Il fatto che le due sonde Voyager ci stiano inviando ancora delle informazioni è di per sé un fatto sensazionale. Stiamo parlando di tecnologie e linguaggi di programmazione di quasi quarantadue anni fa! Quando mi capita di raccontare questo fatto in incontri divulgativi, mi piace sempre fare un paragone fra le sonde Voyager e i nostri vecchi telefoni cellulari. Ognuno di noi ne ha uno nel cassetto, che magari ha più di venti anni, ma sicuramente è sempre funzionante, non come gli smartphone di oggi che hanno vita ben più breve!».
Per saperne di più:
- Leggi su Astronomy & Astrophysics l’articolo “Synchrotron emission in molecular cloud cores: the SKA view”, di Marco Padovani e Daniele Galli