Prima del 1962, ben pochi astronomi erano convinti che nell’universo esistessero sorgenti in grado di emettere una quantità misurabile di radiazione nella banda X, motivo per il quale non erano attesi grandi risultati dalle prime osservazioni. Fu proprio l’imprevedibile scoperta di Scorpius X-1 da parte del gruppo guidato da Riccardo Giacconi a forzare un cambiamento radicale di mentalità da parte degli astronomi, che cominciarono a esplorare il cielo a queste energie con entusiasmo sempre più grande. Parallelamente, dal punto di vista teorico, si cercava di stabilire quali meccanismi generassero energia in questi oggetti celesti e soprattutto quale fosse la loro natura. Per darvi un’idea della difficoltà, una spiegazione convincente* per Scorpius X-1 non arrivò prima del 1971!

Nelle sorgenti astronomiche, i raggi X possono essere prodotti da gas di altissima temperatura, dell’ordine dei milioni di Kelvin, in maniera del tutto analoga alla produzione di luce visibile da parte di gas a temperature intorno alle migliaia di Kelvin. Altri possibili meccanismi per generare raggi X sono la radiazione di Bremsstrahlung, la radiazione di sincrotrone da elettroni relativistici e l’effetto Compton Inverso.

Il principale ostacolo da affrontare nello studio di questi oggetti celesti risiede nel fatto che è impossibile usare strumenti posti sulla superficie terrestre, perché  i raggi X provenienti dallo spazio non riescono ad attraversare l’intera atmosfera, ma solo una piccola frazione di essa, prima di essere assorbiti. Per effettuare le osservazioni è necessario che gli strumenti di misura si trovino al di sopra almeno del 99% dell’atmosfera, cosa possibile quindi solo con l’ausilio di razzi e satelliti.

Il satellite ASTRO-H mostrato ai media

Il satellite ASTRO-H mostrato ai media

Cronologicamente ultima di una serie di missioni spaziali dedicate allo studio del cielo alle energie più alte, ASTRO-H è pronta a partire dal Centro spaziale di Tanegashima. È stata sviluppata all’interno di una collaborazione internazionale guidata dalla JAXA, con il contributo fondamentale della NASA e con la collaborazione di ESA e CSA, l’agenzia spaziale canadese, e la sua realizzazione ha coinvolto scienziati di oltre settanta tra università e centri di ricerca sparsi nel mondo.

Nota inizialmente come NeXT, New X-ray Telescope – Nuovo Telescopio a raggi X, la missione investigherà una serie di fenomeni astrofisici molto diversi tra loro, come l’evoluzione cosmica di galassie e ammassi di galassie, il comportamento della materia nei dintorni di oggetti estremi, quali buchi neri, stelle di neutroni e nane bianche, e infine la natura di materia oscura ed energia oscura nella struttura su larga scala dell’Universo.

Perché chiamarla però ASTRO-H? In realtà, questo non è il “vero” nome della missione perché la JAXA ha l’abitudine di indicare tutte le sue missioni con il prefisso ASTRO- seguito da una lettera progressiva, per poi battezzare il satellite solo dopo il lancio. In questo caso, H indica che si tratta dell’ottava missione nella storia dell’agenzia spaziale giapponese, e tra queste è la sesta dedicata allo studio delle sorgenti celesti nei raggi X.

ASTRO-H osserverà il cielo in un ampio intervallo di energia, ben quattro decadi, dai raggi X “soffici”** alla radiazione gamma meno energetica. Il satellite è dotato di quattro telescopi che sfruttano il principio dell’incidenza radente per focalizzare i raggi X. Non è possibile infatti usare lenti o specchi convenzionali per deviare la radiazione X, perché essa verrebbe assorbita, a differenza di quanto accade nel caso della luce visibile. Si deve far ricorso quindi a degli specchi molto inclinati che riflettono i raggi X quando questi ultimi incidono sulla loro superficie in maniera quasi parallela al loro cammino. ASTRO-H dispone poi di quattro strumenti di misura all’avanguardia, che verranno utilizzati per ottenere immagini e spettri ad alta risoluzione delle sorgenti celesti. In particolare, lo strumento SXS, Soft X-ray Spectrometer – Spettrometro di Raggi X soffici, è un vero gioiello, sviluppato dalla collaborazione NASA-JAXA. Esso è composto da un array di micro-calorimetri raffreddati con elio liquido alla temperatura di 50 mK:  un raggio X, assorbito all’interno di uno qualunque dei micro-calorimetri, causa un innalzamento di temperatura che viene poi registrato da un termometro molto sensibile. Questo permette di raggiungere nella banda 0-3-10 keV una risoluzione energetica senza precedenti, pari a 7 eV. Questa innovazione tecnologica ha una storia davvero lunga e travagliata, che ha contribuito ad ammantarla da un’aura di quasi “maledizione”. Sviluppata, infatti, dalla NASA già a partire dal 1983 con l’intento di farla volare proprio su un razzo giapponese, negli anni ha dovuto affrontare diversi insuccessi. Ricordiamo, per esempio, il lancio fallimentare del satellite ASTRO-E nel febbraio 2000,  per cui la missione non raggiunse mai l’orbita. Nonostante la cocente delusione di ASTRO-E, gli scienziati tornarono però subito al lavoro, riuscendo a convincere NASA e JAXA a finanziare una missione sostituiva, ASTRO-E2,  lanciata infine con successo nel luglio 2005 con il nome di Suzaku. Sfortunatamente, però, il micro-calorimetro smise di funzionare dopo solo qualche settimana, a causa di malfunzionamenti che causarono in ultimo la perdita di tutta la riserva di elio liquido nello spazio. Che dire… gli scienziati in genere non credono alla sfortuna e alle maledizioni e poi tendono a essere testardi, per cui non si demorde e si va avanti, riprovandoci con  ASTRO-H.

In attesa dei primi risultati, nel prossimo futuro ci sarà di nuovo occasione per parlare di ASTRO-H.

 

Note: *ovvero una stella di neutroni in un sistema binario, che accresce materia dalla stella compagna.

** “soffici” perché per bloccare il passaggio a raggi X di queste energie è sufficiente un piccolo quantitativo di materiale. Per esempio,  tre fogli di carta sono in grado di fermare il 90% di raggi X di energia pari a 3 keV, per cui bisogna portarsi ad almeno 80 km di altitudine per osservarne di provenienti dallo spazio. Se l’energia dei raggi X è invece inferiore a 1 keV è necessario trovarsi ad altitudini superiori ai 200 km. D’altra parte, maggiore l’energia dei raggi X, maggiore è il loro potere penetrante, per questo per misurare raggi X cosmici di energia 30 keV basta trovarsi a una altitudine di 35 km, raggiungibile dai palloni sonda d’alta quota.

Bibliografia e letture consigliate:

Companion to the Cosmos, John e Mary Gribbin, 1996 – in italiano: L’Universale, Astronomia, Garzanti Libri, 2004

Exploring the X-ray Universe, Philip A. Charles e Frederick Seward, Cambridge university Press, 1995

http://astro-h.isas.jaxa.jp/en/

https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/astroh/

http://phys.org/news/2016-01-astro-h-satellite-ready.html

http://arxiv.org/abs/1412.1356