Immagina di avere una visione da supereroe e di poter vedere un mondo completamente nuovo di fenomeni affascinanti invisibili all'occhio umano. Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA fornisce agli astrofisici poteri analoghi. Cattura immagini dell'universo nei raggi gamma, la forma di luce più energetica.

Il 12 aprile, uno degli strumenti del veicolo spaziale:il Large Area Telescope (LAT), che è stato concepito e assemblato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, ha rilevato il suo miliardesimo raggio gamma extraterrestre.

Poiché i raggi gamma sono spesso prodotti in processi violenti, la loro osservazione fa luce su ambienti cosmici estremi, come potenti esplosioni stellari, getti di particelle ad alta velocità emessi da buchi neri supermassicci, e stelle di neutroni ultradense che ruotano a una velocità inimmaginabile. I raggi gamma potrebbero anche essere segni rivelatori di particelle di materia oscura, componenti ipotetici di materia oscura invisibile, che rappresenta l'85 per cento di tutta la materia nell'universo.

"Dal lancio di Fermi nel 2008, il LAT ha fatto una serie di importanti scoperte di emissioni di raggi gamma da fonti esotiche nella nostra galassia e oltre, "dice Robert Cameron, capo del LAT Instrument Science Operations Center (ISOC) presso SLAC. Il LAT ha già raccolto centinaia di volte più raggi gamma rispetto allo strumento EGRET della generazione precedente sull'Osservatorio di raggi gamma Compton della NASA, un progresso che ha enormemente approfondito le conoscenze sulla produzione di questa radiazione energetica.

Abilitazione della scoperta

Tra le scoperte LAT ci sono più di 200 pulsar, che ruotano rapidamente, nuclei altamente magnetizzati di stelle collassate che erano fino a 30 volte più massicce del sole. Prima del lancio di Fermi, solo sette di questi oggetti erano noti per emettere raggi gamma. Mentre le pulsar ruotano attorno al loro asse, emettono "raggi" di raggi gamma come fari cosmici. Molte pulsar ruotano diverse centinaia di volte al secondo, decine di milioni di volte più velocemente della rotazione terrestre.

"Capire le pulsar ci parla dell'evoluzione delle stelle perché sono un possibile punto finale nella vita di una stella, " dice Cameron. "I dati LAT ci hanno portato a rivedere completamente la nostra comprensione di come le pulsar emettono raggi gamma".

Il LAT ha anche dimostrato per la prima volta che le novae - esplosioni termonucleari sulla superficie delle stelle che hanno accumulato materiale dalle stelle vicine - possono emettere raggi gamma. Questi dati forniscono nuovi dettagli sulla fisica delle stelle in fiamme, che è un processo cruciale per la sintesi degli elementi chimici nell'universo.

Le sorgenti di raggi gamma ancora più esotiche rilevate dal LAT sono i microquasar. Questi oggetti sono analoghi di dimensioni stellari di nuclei galattici attivi, con il gas che gira intorno a un buco nero al centro. Mentre il buco nero divora la materia dai suoi dintorni, espelle getti di particelle cariche che viaggiano nello spazio quasi alla velocità della luce, generazione di fasci di raggi gamma nel processo.

A scala galattica, un tale meccanismo di espulsione potrebbe aver prodotto le cosiddette bolle di Fermi, due aree giganti sopra e sotto il centro del disco della nostra galassia, la Via Lattea, che brillano di raggi gamma. Scoperto dal LAT nel 2010, queste bolle suggeriscono che il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia un tempo fosse più attivo di quanto lo sia oggi.

I ricercatori usano anche il LAT per cercare segni di particelle di materia oscura nelle regioni centrali della Via Lattea e in altre galassie. Le teorie prevedono che le ipotetiche particelle produrrebbero raggi gamma quando decadono o si scontrano e si distruggono a vicenda.

"Con la sensibilità che abbiamo raggiunto con il LAT, in linea di principio dovremmo essere in grado di vedere tali firme di materia oscura, " dice Seth Digel di SLAC, che guida il gruppo Fermi al Kavli Institute for Particle Astrofisica e Cosmologia (KIPAC), un istituto congiunto della Stanford University e SLAC. "Ma non abbiamo ancora trovato alcun segnale conclusivo, e finora i dati LAT possono essere spiegati anche con altre fonti astrofisiche".

Finalmente, il LAT ha esplorato sorgenti di raggi gamma più vicine a casa, compresi i raggi gamma prodotti dai temporali nell'atmosfera terrestre, da brillamenti solari e persino da particelle cariche che colpiscono la superficie della luna.

Trovare aghi in un pagliaio

Dalla sua posizione su Fermi ad un'altitudine di 330 miglia, il LAT vede il 20 percento del cielo in un dato momento. Ogni due orbite – ciascuna dura circa 95 minuti – lo strumento raccoglie i dati necessari per una mappa a raggi gamma dell'intero cielo.

But identifying the right signals for the map is a little bit like finding needles in a haystack:For every gamma-ray photon, the LAT sees many more high-energy charged particles, called cosmic rays. Most of these background signals are rejected right away by hardware triggers and software filters in the LAT on Fermi, which reduces the rate of signals from 10, 000 to 400 per second.

The remaining data are compressed, transmitted back to Earth and sent to NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, where they get separated into three different datasets for the LAT, the GBM (Fermi's second scientific instrument, which monitors short-lived gamma-ray bursts) and spacecraft data.

The LAT data are transferred to the LAT ISOC at SLAC, where 1, 000 computer cores automatically analyze the data stream and filter out even more background signals. 70 percent of all detected gamma rays are from Earth's atmosphere, leaving only two to three extraterrestrial gamma-ray signals per second out of the 10, 000 initial detector events. These data are then sent back to NASA Goddard, where they are made publicly available for further analysis.

"The ISOC receives about 15 deliveries of LAT data throughout the day for a total of 16 gigabytes or three DVDs worth of data every day, " Cameron says. "For each delivery, the entire process – from the time the data leave Fermi to the time the gamma rays get deposited in the public archive – takes about four hours."

L'anno prossimo, the Fermi mission will reach its 10-year operations goal. What happens after that will largely depend on funding.

"With no successor mission planned, the LAT is in many ways irreplaceable, particularly for studies of low-energy gamma rays, " Digel says. "The telescope is still going strong after all these years, and there is a lot of science left to be done."

An important new role for the LAT is to search for gamma-ray sources associated with gravitational wave events. These ripples in space-time occur, Per esempio, when two black holes merge into a single one, as recently observed by the LIGO detector. This opens up the completely new field of gravitational wave astrophysics.

The LAT ISOC is a department in KIPAC and the Particle Astrophysics and Cosmology Division of SLAC. KIPAC researchers contribute to the international Fermi LAT Collaboration, whose research is funded by NASA and the DOE Office of Science, as well as agencies and institutes in France, Italia, Japan and Sweden.