Nel 2017, Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha svolto un ruolo fondamentale in due importanti scoperte avvenute a sole cinque settimane di distanza. Ma quella che potrebbe sembrare una straordinaria fortuna è in realtà il prodotto della ricerca, analisi, preparazione e sviluppo che risalgono a più di un secolo fa.

Il 17 agosto 2017, Fermi ha rilevato la prima luce mai vista da una sorgente di onde gravitazionali:increspature nello spazio-tempo prodotte, in questo caso, dalla fusione di due stelle di neutroni superdense. Solo cinque settimane dopo, una singola particella ad alta energia scoperta dall'Osservatorio IceCube Neutrino della National Science Foundation (NSF) è stata rintracciata in una lontana galassia alimentata da un buco nero supermassiccio grazie a un bagliore di raggi gamma osservato da Fermi.

"Per millenni, la luce era la nostra unica fonte di informazioni sull'universo, " ha detto Julie McEnery, lo scienziato del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Le recenti scoperte collegano la luce, il nostro corriere cosmico più noto, alle onde gravitazionali e alle particelle come i neutrini, nuovi messaggeri che forniscono diversi tipi di informazioni che stiamo appena iniziando a esplorare".

Radici profonde

Le origini di queste scoperte risalgono a ricerche all'avanguardia nel lontano 1887. Fu allora che i fisici Albert Michelson e Edward Morley condussero un esperimento per rilevare una sostanza, chiamato etere, che è stato postulato come un mezzo che permetteva alle onde luminose di viaggiare attraverso lo spazio. Come ha mostrato il loro esperimento e molti da allora hanno confermato, l'etere non esiste. Ma il risultato negativo si è rivelato una delle ispirazioni per la teoria della relatività speciale di Albert Einstein del 1905. Ha generalizzato questo in una teoria della gravità a tutti gli effetti nel 1915, uno che predisse l'esistenza delle onde gravitazionali.

Un secolo dopo, il 14 settembre, 2015, Il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) della NSF ha rilevato queste vibrazioni spazio-temporali per la prima volta quando le onde della fusione di due buchi neri hanno raggiunto la Terra. Nel mezzo è venuto un flusso costante di progressi, compresi i laser, strumentazione migliorata e computer e software sempre più potenti.

"Proprio come ci sono voluti decenni per inventare le tecnologie dei rivelatori, così anche il quadro teorico e computazionale per analizzare e interpretare le osservazioni multimessenger, " ha detto Tyson Litenberg, il ricercatore principale del gruppo di ricerca LIGO presso il Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, Alabama. "Abbiamo effettuato innumerevoli simulazioni per testare nuove idee e migliorare gli algoritmi esistenti in modo da essere pronti a sfruttare al meglio le prime osservazioni, e che il lavoro di ricerca e sviluppo di base continua."

Fino al 2005, non è stato nemmeno possibile simulare in dettaglio cosa succede quando una coppia di buchi neri orbitanti si fonde. La svolta è arrivata quando team separati di Goddard e dell'Università del Texas a Brownsville hanno sviluppato in modo indipendente nuovi metodi di calcolo che hanno superato tutti gli ostacoli precedenti. Una comprensione accurata dei segnali delle onde gravitazionali è stato un passo importante nell'evoluzione delle tecniche progettate per rilevarli e caratterizzarli rapidamente.

"Un altro sviluppo fondamentale sono state le pipeline di analisi altamente ottimizzate e l'infrastruttura tecnologica dell'informazione in grado di confrontare il modello teorico con i dati, riconoscere la presenza di un segnale, calcolare la posizione della sorgente nel cielo e formattare le informazioni in un modo che il resto della comunità astronomica potrebbe utilizzare, " ha spiegato Tito Dal Canton, un borsista del programma post-dottorato della NASA e membro di un gruppo di ricerca LIGO a Goddard guidato da Jordan Camp.

Gli astronomi devono conoscere gli eventi di breve durata il prima possibile in modo da poter utilizzare un'ampia gamma di telescopi nello spazio ea terra. Già nel 1993, gli scienziati di Goddard e Marshall hanno iniziato a sviluppare un sistema automatizzato per distribuire le posizioni dei lampi di raggi gamma (GRB)—distanti, potenti esplosioni che in genere durano un minuto o meno, per gli astronomi di tutto il mondo in tempo reale. Situato a Goddard e guidato dal Principal Investigator Scott Barthelmy, la Gamma-ray Coordinates Network/Transient Astronomy Network ora distribuisce avvisi da molte missioni spaziali e da strumenti a terra come LIGO e IceCube.

Particelle fantasma

Il filone storico per i neutrini è iniziato con il fisico francese Henri Becquerel e la sua scoperta della radioattività nel 1895. Nel 1930, dopo aver studiato un processo radioattivo chiamato decadimento beta, Wolfang Pauli ha suggerito che probabilmente coinvolgeva una nuova particella subatomica, poi chiamato neutrino. Ora sappiamo che i neutrini possiedono poca massa, viaggia quasi veloce come la luce, sono disponibili in tre varietà e sono tra le particelle più abbondanti nell'universo. Ma poiché non interagiscono prontamente con altre questioni, i neutrini non furono scoperti fino al 1956.

Nel 1912, Victor Hess scoprì che le particelle cariche, ora chiamati raggi cosmici, entrare continuamente nell'atmosfera terrestre da ogni direzione, il che significa che lo spazio è pieno di loro. Quando i raggi cosmici colpiscono le molecole d'aria, la collisione produce una pioggia di particelle, inclusi i neutrini, che piove attraverso l'atmosfera. La ricerca di sorgenti di neutrini astronomici significava collocare esperimenti nel sottosuolo per ridurre le interferenze dei raggi cosmici e costruire rivelatori molto grandi per eliminare i deboli segnali dei neutrini timidi per la pubblicità.

I neutrini prodotti da reazioni nucleari all'interno del nucleo del Sole sono stati rilevati per la prima volta nel 1968 grazie a un esperimento che utilizzava 100, 000 galloni di liquido per il lavaggio a secco situato nel profondo di una miniera d'oro del South Dakota. La scoperta della prossima sorgente di neutrini astronomici richiederebbe altri 19 anni. Supernova 1987A, un'esplosione stellare in una galassia vicina, rimane la supernova più luminosa e vicina vista in oltre 400 anni ed è la prima per la quale la stella originale è stata identificata nelle immagini pre-esplosione. I teorici anticiparono che i neutrini, che sfuggono a una stella che crolla più facilmente della luce, sarebbe il primo segnale di una nuova supernova. E ore prima che la luce visibile del 1987A arrivasse sulla Terra, esperimenti in Giappone, gli Stati Uniti e la Russia hanno rilevato una breve esplosione di neutrini, rendendo la supernova la prima fonte di neutrini identificata oltre il sistema solare.

"Se nessuno di questi esperimenti era in funzione in quel momento, il segnale del neutrino sarebbe passato inosservato, "ha detto Francis Halzen, il principale investigatore di IceCube, che è essenzialmente un telescopio per neutrini costruito in un chilometro cubo di ghiaccio al Polo Sud. "Non basta sviluppare la tecnologia, perfezionare teorie o persino costruire un rivelatore. Dobbiamo fare osservazioni il più spesso possibile per avere le migliori possibilità di catturare brevi, eventi rari e scientificamente interessanti. Sia Fermi che IceCube sono operativi ininterrottamente, fare osservazioni ininterrotte del cielo."

Luce fantastica

Il terzo filone storico appartiene ai raggi gamma, la forma di luce più energetica, scoperto nel 1900 dal fisico francese Paul Villard. Quando un raggio gamma di energia sufficiente interagisce con la materia, fornisce una perfetta dimostrazione della più famosa equazione di Einstein, E=mc2, trasformandosi istantaneamente in particelle, un elettrone e la sua controparte in antimateria, un positrone. Al contrario, schiantare un elettrone e un positrone insieme e ne risulta un raggio gamma.

Il satellite Explorer 11 della NASA, lanciato nel 1961, rilevato i primi raggi gamma nello spazio. Nel 1963, l'Air Force degli Stati Uniti ha iniziato a lanciare una serie di satelliti come parte del Progetto Vela. Questi satelliti sempre più sofisticati sono stati progettati per verificare la conformità a un trattato internazionale che vietava i test sulle armi nucleari nello spazio o nell'atmosfera. Ma a partire dal luglio 1967, gli scienziati si sono resi conto che i satelliti Vela stavano osservando brevi eventi di raggi gamma che erano chiaramente non correlati ai test sulle armi.

Queste esplosioni erano GRB, un fenomeno completamente nuovo ora noto per segnare la morte di certi tipi di stelle massicce o la fusione di stelle di neutroni orbitanti. La NASA ha esplorato ulteriormente il cielo dei raggi gamma con il Compton Gamma Ray Observatory, che ha operato dal 1991 al 2000 e ha registrato migliaia di GRB. A partire dal 1997, osservazioni critiche del satellite italo-olandese BeppoSAX hanno dimostrato che i GRB si trovavano ben oltre la nostra galassia. Compton è stato sostituito dall'Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA nel 2004 e da Fermi nel 2008, missioni che continuano ad esplorare il cielo ad alta energia e che seguono gli avvisi di LIGO e IceCube.

"Nei campi di osservazione, il caso favorisce solo la mente preparata, " ha osservato Louis Pasteur, il chimico e microbiologo francese, in una conferenza del 1854. Supportato da decenni di scoperte scientifiche e innovazione tecnologica, il fiorente campo dell'astronomia multimessaggero è sempre più preparato per il suo prossimo colpo di fortuna.