Abstract

Il progetto ASTRI (Astrofisica con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana) rappresenta un’importante innovazione nell’astronomia dei raggi gamma, con particolare attenzione alla radiazione Cherenkov ad alta energia. Ispirato dalle idee pionieristiche di Guido Horn d’Arturo, il progetto impiega telescopi con specchi a struttura segmentata per studiare le particelle cosmiche ad altissime energie. ASTRI si inserisce nel contesto più ampio dell’osservatorio CTAO, mirando a esplorare energie tra 1 TeV e 100 TeV, e si distingue per l’uso di telescopi di piccole dimensioni in grado di osservare le docce di particelle prodotte da fotoni gamma estremamente energetici. Con il suo design avanzato, che include il sistema ottico Schwarzschild-Couder e fotocamere al silicio, ASTRI si prefigge di risolvere enigmi astrofisici come l’eccesso di raggi gamma dal centro galattico e la ricerca di “PeVatrons” — oggetti capaci di accelerare particelle fino a energie petaelettronvolt. Inoltre, ASTRI si inserisce in un contesto internazionale di ricerca multimessaggera, collaborando con progetti come MAGIC e LHAASO, e contribuendo a una comprensione più profonda dei fenomeni astrofisici estremi e della materia oscura. Il progetto, che prosegue la tradizione italiana nell’astrofisica, offre una nuova finestra sul cosmo, con il futuro osservatorio di Tenerife pronto a svelare nuovi segreti dell’Universo.

Quando si guarda con attenzione il James Webb Space Telescope, la prima cosa che colpisce è la struttura mo­dulare del suo grande specchio primario, suddiviso in segmenti esagonali. Dietro questa soluzione ingegnosa esiste una vicenda affascinante che ha come protago­nista Guido Horn d’Arturo, personalità essenziale nello sviluppo di alcune tra le idee più avanzate dell’astrofi­sica osservativa attuale. Fu infatti egli che, negli anni Trenta, ebbe l’intuizione di suddividere i grandi specchi monolitici per telescopi in superfici tassellate, renden­do possibile la realizzazione di grandi aree riflettenti riducendo i costi. Non è un caso che il suo nome sia ben conosciuto dagli studiosi dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), impegnati oggi nel progetto ASTRI, acronimo di “Astrofisica con Specchi a Tecnologia Repli­cante Italiana”: delle spettacolari superfici a specchio di grande dimensione specificatamente progettate per raccogliere e per studiare la radiazione Cherenkov nell’ul­travioletto e visibile generata dall’interazione dei raggi gamma provenienti dalle profondità cosmiche e i raggi cosmici stessi.

Nel 2017, la camera Cherenkov montata sul primo tele­scopio prototipale del progetto, installato nel sito di Ser­ra La Nave sull’Etna, presso Catania, ottenne la sua prima luce. Il telescopio fu significativamente chiamato “ASTRI Horn” in omaggio a Horn d’Arturo, essendo lo specchio primario a struttura segmentata come quella concepita nel 1935. Nel 2022 è stato completato sul vulcano Teide, a Tenerife, ASTRI-1, il primo telescopio dei nove previsti per il sito osservativo. Ma di cosa si tratta esattamente quando parliamo di ASTRI? E quali obiettivi scientifici si prefigge que­sto nuovo esperimen­to, pen­sato per indagare i fenomeni più ener­getici del cosmo grazie al rilevamento della radiazione Cherenkov?

L’apertura di una nuova finestra sul cosmo ad alta energia

La radiazione Cherenkov, scoperta a metà degli anni Trenta da Pavel Cherenkov (1909-1990), si manifesta quan­do una particella carica viaggia in un mezzo denso (per esempio l’atmosfera) a una velocità di fase superiore a quella consentita alla luce nello stesso mezzo. Questo curioso effetto è responsabile, ad esempio, del bagliore bluastro che si nota nei reattori delle centrali nucleari, quando una particella beta (cioè un elettrone) è rilascia­ta a velocità relativistica nelle vasche di raffreddamento: si crea quindi una sorta di analogo elettromagnetico del “bang” supersonico dei jet militari. Infatti, quando la particella supera il “muro” della velocità della luce nel mezzo, si produce esattamente lo stesso cono d’onda equivalente al cono di Mach prodotto quando un aereo o un proiettile supera il muro del suono. L’effetto Che­renkov che osserva ASTRI però è diverso, ed è prodotto da fotoni gamma ad altissima energia (nella regione del teraelettronvolt) che giungono sulla Terra e impat­tano contro gli atomi della nostra atmosfera, creando sciami di coppie elettrone-positrone in grado di indurre l’emissione di una grande quantità di fotoni Cherenkov. I telescopi di questo tipo (specificatamente quelli del progetto CTAO) possono registrare anche l’arrivo di raggi cosmici: in questo caso, le particelle adroniche (in gran parte protoni e, talvolta, nuclei atomici) hanno una in­terazione con l’atmosfera più complessa, che comporta anche la produzione di altre particelle come pioni e muo­ni. In entrambi i casi, grazie all’effetto Cherenkov, ven­gono prodotti bagliori bluastri di forma caratteristica, di fatto non percepibili dall’occhio umano: sono fenomeni di brevissima durata anche dell’ordine di nanosecondi o alcune decine di nanosecondi al massimo. È un proces­so tanto spettacolare quanto effimero e, per decenni, la sua fugacità ha reso estremamente complesso l’utilizzo della tecnica Cherenkov in atmosfera per lo studio dei raggi gamma di origine celeste e dei raggi cosmici che giungono sul nostro pianeta.

Progetti come ad esempio MAGIC, CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) e, appunto, ASTRI, stanno aprendo nuovi scenari osservativi grazie a telescopi con specchi primari molto grandi e fotocamere rapidissime, in grado di “catturare” questi istanti di luce e decifrarne i segreti. Il processo chiave consiste nell’analisi detta­gliata dell’immagine della cascata di particelle che si sviluppa quando un raggio cosmico o gamma interagi­sce con le molecole atmosferiche. Sebbene il fenomeno avvenga in pochi miliardesimi di secondo, la sua forma conica e la distribuzione dei fotoni Cherenkov conser­vano informazioni preziose sull’energia e sulla natura dell’oggetto che ha innescato lo sciame. Studiando la geometria e l’intensità del bagliore, il tasso di fotoni emessi, la durata e la forma della curva di emissione, diventa possibile ricostruire con precisione le caratteristiche dell’impulso cosmico originario.

Un progetto complementare a CTAO

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ASTRI, che è in fase di realizzazione al sito astronomico dell’Osservatorio del Teide, a Tenerife, nasce come inizia­tiva parallela e complementare rispetto a CTAO, il grande osservatorio Cherenkov che avrà due sedi: CTAO North a La Palma (Isole Canarie) e CTAO South nel deserto di Ataca­ma, sulle Ande cilene. Se per l’osservatorio sud CTAO avrà a disposizione telescopi con grandi specchi (Large Sized Telescope, LST, 23 m di diametro), di media dimensione (Medium Sized Telescope, MST, di 12 m di diametro) e piccola dimensione (Small Sized Telescope, SST, 4 m di diametro), al nord saranno presenti solo telescopi di classe LST e MST. All’interno di questa cornice, ASTRI si concentra specifi­camente su un regime di energie più elevate (da 1 Tev a oltre 100 TeV) e utilizza telescopi di piccole dimensioni, collocati in un’area molto ampia. Ciò avviene perché, a differenza degli sciami più deboli (prodotti da fotoni di bassa energia, che richiedono grandi superfici riflettenti e un’ampia area di copertura), i fotoni estremamente energetici generano docce più intense, visibili anche con specchi di minore diametro. I lavori per la costru­zione di ASTRI Horn presso l’osservatorio dell’Etna a Serra La Nave sono cominciati nell’ottobre 2013 e si sono conclusi nel 2017, con l’implementazione della camera Cherenkov. In seguito, si è proceduto alla progettazione dell’ASTRI Mini-Array: nove telescopi, di cui al momen­to è stato completato il primo esemplare (ma che già nel 2025 sarà raggiunto da altri 6 telescopi, in corso di implementazione), e che avranno caratteristiche ottiche particolarmente avanzate.

Dall’eredità di Pacini e Rossi alla sfida dell’ul­tra-alta energia

L’Italia vanta una tradizione secolare nello studio dei raggi cosmici e gamma, che ha radici in pionieri come Domenico Pacini, Bruno Rossi, Giuseppe Occhialini e Riccardo Giacconi. Questi studiosi hanno posto le basi per la comprensione dei processi fisici ad altissima energia, consegnandoci un’eredità che ora viene raccolta e rilanciata dall’INAF con il progetto ASTRI. Finanzia­to dal MUR (Ministero dell’Università e della Ricerca), ASTRI rientra come precursore nel più ampio disegno di CTAO (a cui, oltre l’INAF, partecipa anche l’INFN, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), un insieme di telescopi Cherenkov pensato per coprire in modo esaustivo l’inte­ro spettro dei raggi gamma di alta e altissima energia. Se concepiamo CTAO come un’orchestra globale, ASTRI è il solista che si concentra soprattutto su determinate note – le più energetiche – della sinfonia cosmica.

CTAO infatti, per il sito nord di La Palma, come descritto nel paragrafo precedente, attualmente non prevede la costruzione di telescopi di piccolo diametro, e la finestra osservativa dei raggi gamma più energetici sarà coper­ta proprio dall’esperimento ASTRI. Le sue nove unità, avranno il compito di esplorare i processi astrofisici che producono fotoni di energia elevata, fino a 100 TeV e oltre, con una risoluzione angolare notevole, di alcuni minuti d’arco.

Come funziona un telescopio Cherenkov?

I raggi gamma ultrarelativistici non raggiungono diret­tamente il suolo: scontrandosi con l’atmosfera terrestre, danno vita a sciami di elettroni e positroni che, viag­giando a velocità relativistiche, emettono luce Cheren­kov (vedi immagine in basso pagina precedente). Di per sé, i telescopi non rilevano i gamma originali, ma questi bre­vi lampi atmosferici. Secondo la responsabile scientifica di CTAO, Roberta Zanin, risalire dai dati Cherenkov al fo­tone cosmico equivale a ricostruire l’evento scatenante attraverso la “firma” lasciata nello sciame. Se l’energia è molto alta, il bagliore Cherenkov è più intenso, anche se l’evento stesso è piuttosto raro in termini di frequenza.

ASTRI si avvale di una configurazione stereoscopica: ogni telescopio osserva lo stesso evento da angolazioni differenti e, combinando le varie immagini, si ottiene una ricostruzione tridimensionale della cascata. Questo consente di determinare non solo l’energia e la prove­nienza del fotone (entro pochi primi d’arco), ma anche di distinguere con maggiore sicurezza i veri raggi gam­ma dal rumore di fondo, dovuto in larga parte ai raggi cosmici adronici (composti per il 90% da protoni e per il resto da nuclei atomici ionizzati).

Il doppio specchio Schwarzschild-Couder e la camera al silicio

La struttura è quella di un telescopio “a doppio specchio”, in cui lo specchio primario composito offre una superfi­cie riflettente totale di 4,3 metri di diametro, suddivisa in 18 pannelli esagonali, mentre lo specchio secondario, monolitico, ha un diametro di 1,8 metri. La principale innovazione dei telescopi ASTRI Mini-Array è costituita dall’uso di un sistema ottico a doppia riflessione aplana­tico del tipo Schwarzschild-Couder, il cui grande campo di vista (più di 10°) è ideale per la realizzazione di tele­scopi volti all’osservazione della radiazione Cherenkov prodotta da raggi gamma di altissima energia. I telescopi di questa tipologia furono ideati nel 1905 dall’astronomo e matematico tedesco Karl Schwarzschild, molto anche celebre per i suoi studi in fisica teorica e a cui si deve la prima formulazione matematica dell’esistenza dei buchi neri. Schwarzschild (1873-1916), noto per il calcolo del famoso “raggio di Schwarzschild” formulò anche idee brillanti nell’ambito della progettazione ottiche dei tele­scopi, tra cui il concetto (poi perfezionato dall’astronomo francese André Couder negli anni ‘20 del secolo scorso) utilizzato da ASTRI per correggere le aberrazioni delle immagini fuori asse.

I telescopi Schwarzschild-Couder che lo scienziato tede­sco contribuì a ideare hanno la caratteristica di essere realizzati con una coppia di specchi asferici, cioè con un raggio di curvatura non uniforme. In particolare, per l’im­plementazione dello specchio primario dei telescopi ASTRI è stata ideata una struttura particolarmente innovativa: gli esagoni del primario sono disposti in tre corone concentriche, ognuna forma­ta da sei specchi caratterizzati da una curvatura media differente, in modo tale da riflettere l’immagine priva di aberrazioni ottiche non solo al centro ma anche verso i margini della superficie riflettente. La corona più interna di specchi ha una curvatura media comparabile a quella che si misurerebbe su una sfera di 8,6 metri di raggio; quella intermedia corrisponde a 9,8 metri; infine, quella più esterna a 11,7 metri. Il risultato è una compattezza dell’intero sistema, che concentra la radiazione da un campo di vista così grande – più di 10° – su un piano fo­cale di circa 50 centimetri (mentre le camere Cherenkov finora realizzate erano di diametro superiore a 1 metro), favorendo l’uso di fotomoltiplicatori al silicio SiPM (Sili­con Photomultiplier), molto efficienti e in grado persino di contare ogni singolo fotone in arrivo.

I SiPM, garantiscono un’alta efficienza di rivelazione nel­la banda di radiazione elettromagnetica ultravioletta-vi­sibile in cui i flash di radiazione Cherenkov sono emessi (lunghezze d’onda tra 300 e 550 nm) e presentano il vantaggio di operare a tensioni elettriche molto più bas­se rispetto ai tubi fotomoltiplicatori (PMT) convenzio­nali, che vengono impiegati nei telescopi di dimensioni maggiori di CTAO, per esempio quelli LST (Large Sized Telescope). La scelta di un sistema di “peak-and-hold” (o peak detection) sviluppato da INAF per l’acquisizione del segnale consente poi di ridurre il volume di dati e gestire in modo efficiente la notevole mole informativa generata dallo sciame Cherenkov. In sostanza, questa tecnica di riduzione del volume dei dati prevede di regi­strare solo il valore di picco del segnale in arrivo, trala­sciando la forma più estesa dell’impulso, che fornisce informazioni di secondaria importanza per le finalità di base dell’analisi.

Obiettivi scientifici: PeVatrons e sorgenti gamma

Il prototipo ASTRI Horn, installato sull’Etna (nei pressi di Catania), ha permesso di validare sul campo sia l’ottica Schwarzschild-Couder sia la nuova camera a SiPM. Forte di questo successo, l’INAF ha predisposto l’installazio­ne dell’ASTRI Mini-Array all’Osservatorio del Teide (circa 2400 m s.l.m.), in una zona di eccezionale qualità astro­nomica e protetta da severe norme sul controllo dell’in­quinamento luminoso. L’ampia superficie (650 m x 270 m) è stata suddivisa in piazzole che ospiteranno i nove telescopi, distribuiti in modo da ottimizzare la triangolazione stereosco­pica.

Uno degli obiettivi più avvincenti riguarda la ricerca dei cosiddetti PeVatrons, oggetti capaci di accelerare i raggi cosmici fino a energie dell’ordine del petaelettronvolt (1 PeV). Si sospetta che possano trovarsi in resti di super­nova particolarmente giovani, in ammassi stellari o ad­dirittura in prossimità del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. Per sondarli, ASTRI punterà verso regioni già indicate da rivelatori di sciami estesi come HAWC (High Altitude Water Cherenkov observatory, in Messico) e LHAASO (Large High Altitude Air Shower Ob­servatory, in Cina), che evidenziano l’emissione di fotoni da decine a centinaia di TeV, ma con risoluzione angolare modesta. Un’osservazione Cherenkov dedicata potrebbe finalmente rivelare la morfologia dettagliata di queste sorgenti ultra-energetiche, chiarendo se l’emissione è di natura adronica (dovuta a protoni o nuclei atomici) o leptonica (elettroni e positroni).

Oltre a questo, ASTRI si prepara a rispondere alle al­lerte provenienti da LIGO/Virgo (onde gravitazionali), da IceCube o KM3NeT (entrambi rivolti alla fisica dei neutrini) e da satelliti spaziali (Fermi, Agile, Swift), nel nuovo scenario della cosiddetta astrofisica multimes­saggera. Eventi transitori come GRB (Gamma-Ray Burst), fusioni di stelle di neutroni o improvvisi flare di buchi neri potranno così essere “catturati” nel dominio TeV in tempi rapidi, fornendo dati essenziali per comprendere la fisica di questi fenomeni esplosivi. Proprio mentre scriviamo, la collaborazione internazionale KM3NeT, che si occupa di rivelare l’arrivo di neutrini energetici dal co­smo mediante schiere di tubi fotomoltiplicatori immersi nel Mediterraneo, ha annunciato che il 13 febbraio 2023 ha osservato un bagliore al largo di Portopalo di Capo Passero, in Sicilia. Tale bagliore, provocato da un neutri­no di enorme energia cinetica, ha generato una cascata di muoni di circa 120 Petaelettronvolt, con un’incertezza di +110 PeV / −60 PeV. Considerato l’angolo di incidenza estremamente basso, si ipotizza che la cascata fosse dovuta a un neutrino di circa 220 PeV.

Se l’osservatorio gamma di CTAO a La Palma o lo stes­so ASTRI a Tenerife fossero stati pienamente operativi, avrebbero potuto fornire un ulteriore supporto nell’osser­vare la probabile sorgente di emissione, rilevando altri possibili raggi gamma prodotti dal medesimo fenome­no, forse un GRB eccezionale o un nucleo galattico attivo (un buco nero supermassiccio di un centro galattico in fase di accrescimento immortalato mentre “divora” il suo pranzo, per così dire!).

Una struttura affidabile per un’osservazione a lungo termine

Sul fronte ingegneristico, i nove telescopi ASTRI sono progettati per garantire un’elevata affidabilità e un tasso di disponibilità prossimo al 99%. Molte operazio­ni di manutenzione potranno essere svolte in modalità predittiva, grazie a sensori che monitorano costante­mente parametri come vibrazione, temperatura e posi­zione, segnalando tempestivamente eventuali anomalie. Anche la gestione e l’analisi dei dati sfruttano tecniche di riduzione mirate, come il picco “peak-and-hold” e la “variance technique”, mentre la connettività a 10 Gbit/s con i server italiani permette di effettuare la maggior parte dell’elaborazione offsite. Vale la pena di spendere due parole anche sulla variance technique, un’innova­zione significativa che consente di rilevare e filtrare il rumore basale (ovvero la luminosità di fondo nella volta stellata) e di sottrarlo dai segnali effettivamente utili. Ciò rende possibile utilizzare ASTRI non solo per rilevare i segnali Cherenkov ma anche per osservare nella banda visibile le stelle di campo, fornendo utili riferimenti per la calibrazione.

Collaborazioni, diplomazia scientifica e nuo­ve prospettive

ASTRI si inserisce in un contesto internazionale di osservatori dedicati alle altissime energie: oltre a CTAO, si prevedono stretti contatti ad esempio con i proget­ti MAGIC, LHAASO, MAGIC, VERITAS e con i rivelatori di particelle e onde gravitazionali. Questa sinergia rafforza la cosiddetta “diplomazia della scienza”, secondo cui la ricerca riesce a superare confini e differenze, unendo team di fisici, ingegneri e tecnici di tutto il mondo in una sfida comune. L’impatto socio-tecnologico è note­vole, poiché coinvolge varie aziende italiane specializza­te in componenti ottici, elettronici e meccanici, con pos­sibili ricadute anche in difesa, medicale e altri settori.

L’astronomia multimessaggera, che ricava informazioni di carattere astrofisico non dalla sola banda elettroma­gnetica ma anche dall’osservazione di onde gravitazio­nali e particelle come i neutrini e i raggi cosmici, ha grande necessità di scienziati di provenienze diverse, per poter dispiegare tutto il suo potenziale. Sul piano teorico e speculativo, i prossimi anni potrebbero portare a scoperte in grado di ridefinire non solo la nostra com­prensione dell’astrofisica estrema, ma anche i confini della fisica fondamentale. Le osservazioni stereoscopi­che Cherenkov, lo studio di eventi transitori multimes­saggeri, le nuove tecniche interferometriche, lasciano intravedere un futuro in cui gli strumenti di prossima generazione – e il know-how acquisito con progetti come ASTRI – potrebbero segnare un decisivo salto di qualità in campi ancora pochissimo conosciuti come l’origine dei raggi cosmici o la ricerca di buchi neri primordiali.

Uno dei fenomeni più misteriosi che ASTRI potrebbe aiutare a decifrare è l’eccesso di raggi gamma prove­niente dal centro della nostra Galassia, rilevato per la prima volta nel 2009 dal satellite Fermi. La questione, nota come GCE (Galactic Center Gamma-ray Excess), costituisce un enigma perché al momento non si cono­scono fenomeni fisici in grado di spiegare con sicurezza i dati raccolti – ormai da parecchi anni – su una regione piuttosto ristretta, estesa per circa 30° attorno al centro galattico, osservabile in modo privilegiato dal futuro sito di CTAO in Cile, ma anche nelle prime settimane estive, da ASTRI a Tenerife. L’eccesso gamma, va detto, è davvero modesto: appena il 2% circa dei raggi gamma provenienti dal centro galattico resta ancora inspiegabile rispetto ai modelli. Eppure l’astrofisica è ormai una scienza di altissima precisione, e qualunque deviazione dalle previsioni può rivelarsi un indizio di “nuova fisica”. L’ipotesi su cui alcuni astrofi­sici si stanno concentrando – ancora tutta da verificare – è che l’eccesso gamma possa dipendere dall’annichi­lazione materia-antimateria generata da particelle non soggette all’interazione elettromagnetica. In sostanza, potrebbe perfino trattarsi di un primo, sfuggente segnale della “materia oscura”, che secondo alcuni modelli ten­derebbe ad accumularsi nei pressi del centro galattico.

Nell’eredità di Horn d’Arturo e di altri giganti del passato, come Pacini e Rossi, si coglie l’aspirazione a esplorare il cosmo fino ai confini della conoscenza.

Maggiori informazioni sul progetto sono dispo­nibili sul sito ufficiale del progetto www.astri.inaf.it.

Si ringraziano per la revisione Anna Wolter,

Sara Anzuinelli e Giovanni Pareschi.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 273 VERSIONE CARTACEA