GLAST/Fermi, un osservatorio spaziale
per lo studio dell'emissione gamma nell'Universo

a cura di Gloria Spandre (GLAST–INFN Pisa)

 

Introduzione
Studiare i raggi gamma di origine celeste permette di indagare i fenomeni più energetici che avvengono nel Cosmo ed avere così una visione più completa dell'Universo che ci circonda.

Le emissioni gamma sono spesso correlate alla presenza di particelle cariche accelerate ad altissime energie. Molte sorgenti gamma sono pertanto equivalenti ad acceleratori di particelle enormemente più potenti di quelli costruiti dall'uomo sulla terra.

 
Nel 1961 gli strumenti a bordo del satellite Explorer 11 misero in evidenza la presenza di raggi gamma provenienti dal cielo; da allora molte altre missioni sono state realizzate per apprendere quanto più possibile dal cielo gamma. L'ultima grande missione fu il Compton Gamma Ray Observatory, operativo dal 1991 fino al 2000, grazie al quale vennero fatte scoperte di notevole rilevanza scientifica.

Il Gamma ray Large Area Space Telescope (GLAST) può essere considerato il successore di CGRO: si tratta infatti di una missione su satellite dedicata proprio allo studio dei raggi gamma provenienti dall'Universo. GLAST è il frutto di una collaborazione internazionale in cui l'Italia riveste un ruolo di responsabilità e di fondamentale importanza. GLAST e' stato lanciato con successo l'11 giugno 2008 alle 18:05 (ora italiana) dalla base NASA di Cape Canaveral, in Florida, a bordo di un lanciatore della classe Delta II.

 

GLAST nel suo “bozzolo” in attesa del lancio

Lift-off….

 

Rappresentazione artistica di GLAST/Fermi in orbita

Il 28 agosto 2008 la NASA ha ribattezzato GLAST con il nome di Fermi Gamma ray Space Telescope in onore di Enrico Fermi, il più grande scienziato italiano del 20simo secolo.

Fermi è stato un pioniere nello studio del meccanismo di accelerazione dei raggi cosmici, fondamentale per comprendere quei fenomeni e quelle sorgenti che il satellite che oggi porta il suo nome osserverà e studierà.

Le indagini di GLAST/Fermi porteranno grandi contributi tanto allo studio dell'Universo, quanto all'indagine sui costituenti fondamentali della materia.

 

I raggi gamma in natura 
I raggi gamma costituiscono la parte più energetica dello spettro elettromagnetico, ed hanno lunghezze d'onda inferiori a quelle dei raggi X. Poiché ciascun fotone trasporta una quantità di energia E direttamente proporzionale alla sua frequenza f (dalla relazione di Einstein E = hf) si comprende come i raggi gamma trasportino quantità enormi di energia.

Lo spettro elettromagnetico

Nel mondo microscopico si utilizza come unità di misura di energia l'elettronvolt (eV), che corrisponde all'energia acquistata da un elettrone quando attraversa una differenza di potenziale di 1 Volt. Si tratta di un'unità piccolissima confrontata con il Joule (1 J = 1,6 x 1019 eV), tuttavia l'eV è molto comodo per esprimere unità di misura nel mondo atomico e subatomico. Si utilizzano anche i multipli dell'eV, come il keV (1000 eV), il MeV (1.000.000 eV) ed il GeV (1.000.000.000 eV).
In fisica si considerano raggi gamma i fotoni di energia superiore a 100 keV, e GLAST osserverà i fotoni con energia compresa fra 20 MeV e 300 GeV, coprendo un intervallo estremamente ampio. Per fare un paragone basta ricordare che l'energia trasportata da un fotone visibile è di circa 1 eV. Parte di questa finestra spettrale (30 GeV-300GeV) non è mai stata esplorata.
A bordo di GLAST/Fermi sarà presente anche uno strumento secondario che permetterà di studiare i fenomeni transienti di energia compresa fra 10 keV e 25 MeV.
In natura i raggi gamma possono essere prodotti in molti modi. Vi sono ad esempio fenomeni legati alla fisica nucleare come i decadimenti nucleari gamma o la fusione nucleare. Altri meccanismi importanti di produzione sono ad esempio la Radiazione di Frenamento (in tedesco bremsstrahlung), che viene prodotta quando un elettrone entra nel campo elettromagnetico di un nucleo atomico e viene rallentato. Un altro meccanismo di produzione, che ha notevole rilevanza astrofisica è la Radiazione di Sincrotrone, emessa quando una particella carica attraversa un campo magnetico in direzione non parallela all'asse del campo oppure la Diffusione Compton Inversa (Inverse Compton Scattering), che si ha quando i raggi X interagiscono con elettroni di alta energia. In seguito all'interazione parte dell'energia dell'elettrone è ceduta al fotone che emerge dall'interazione con un'energia, e quindi una frequenza, maggiore.

Come si rivelano i raggi gamma. Gli strumenti di GLAST/Fermi
Uno strumento per rivelare i raggi gamma, anche se spesso viene definito "telescopio a raggi gamma" assomiglia più ad un rivelatore di fisica delle particelle che ad un tradizionale telescopio. Al posto di lenti e specchi vengono impiegati rivelatori molto sofisticati, il cui funzionamento si basa sui meccanismi di interazione fra i raggi gamma e la materia.

Ad energie dei fotoni superiori alla decina di MeV il processo principale è la produzione di coppie, un fenomeno in base al quale un raggio gamma interagendo con la materia è convertito in una coppia di particelle formata da un elettrone ed un positrone (l'antiparticella dell'elettrone, uguale all'elettrone ma con carica positiva). Conoscendo la traiettoria e l'energia delle due particelle "figlie" è possibile risalire all'energia ed alla direzione del raggio gamma iniziale (v. figura 1).

 

 

Figura 1 - Schema di funzionamento di un telescopio gamma

 

Figura 2 -Spaccato del Large Area Telescope (LAT)

 

Lo strumento principale di GLAST, il Large Area Telescope (LAT) funziona sfruttando questo meccanismo. Il LAT ha una struttura modulare basata su 16 elementi identici chiamati "torri (v. figura 2). Ogni torre a sua volta è costituita da due sottosistemi: un tracciatore ad alta precisione ed un calorimetro elettromagnetico (v. figura 3).

Il tracciatore ("misuratore di traiettorie") è un complesso rivelatore basato sulle più moderne tecnologie a semiconduttore.  Esso è costituito infatti da piani di rivelatori al silicio a microstrisce alternati a piani di convertitore per i gamma (tungsteno). Nel tracciatore si formano le tracce della coppia e+e-.
La costruzione dell'intero tracciatore è stata responsabilità della collaborazione italiana. Dalla componente pisana dell'INFN dipendeva in particolare la qualificazione dei sensori al silicio, l'ingegnerizzazione della costruzione, la definizione delle procedure di allineamento, di assemblaggio e di tutti i test elettricii, meccanici e funzionali necessari per l’accettazione delle varie componenti del tracciatore.

 

 

 

Figura 3 - I vari componenti del LAT

Al calorimetro è affidata la misura dell'energia dei prodotti dell'interazione del raggio gamma. Da questa misura è possibile risalire all'energia del gamma incidente. Questo strumento è strutturato in una matrice di cristalli di ioduro di cesio in modo tale da permettere di ricostruire lo sviluppo della perdita di energia che in esso avviene. Questa ulteriore informazione, integrata con quella proveniente dal tracciatore, permette di risalire alla direzione del gamma e quindi alla localizzazione in cielo della sorgente.

 
Uno schermo di anticoncidenza (ACD) strutturato a piastrelle di scintillatore plastico riveste l'intera struttura del LAT. Lo schermo serve ad eliminare i segnali delle particelle cariche presenti nello spazio. Queste particelle possono produrre nel rivelatore effetti simili a quelli di un raggio gamma e costituiscono quindi una fonte di rumore da eliminare.

Grazie alla nuova tecnologia impiegata, il LAT può osservare una banda energetica molto più ampia rispetto al suo predecessore EGRET operativo dal 1991 al 2000 a bordo dell’osservatorio spaziale CGRO. Inoltre il tracciatore ad alta precisione consente di raggiungere elevate risoluzioni angolari, scendendo al di sotto di 0.1° per fotoni di energia superiore a 10 GeV.

 

 

 

La sensibilità del LAT è molto superiore a quella di EGRET (circa 30 volte) e questa caratteristica, unita alla maggiore area efficace dello strumento, ha permesso di raccogliere in un solo giorno un numero di fotoni pari a quelli raccolti da EGRET durante tutta la sua fase operativa!

 

Per lo studio dei fenomeni transitori , come ad esempio i lampi di luce gamma ed i brillamenti solari, è stato installato a bordo del satellite un secondo strumento, il Fermi Gamma-ray Burst Monitor (v. figura 4), che controlla costantemente tutto il cielo visibile pronto a segnalare il manifestarsi di un fenomeno.

In questo modo è possibile il ripuntamento del LAT nella direzione del lampo gamma.

Il GBM copre una banda spettrale compresa fra 10 keV e 25 MeV.


Figura 4 - Parte (1/4) del Fermi Gamma-ray Burst Monitor

 

L'Universo gamma
L'universo gamma è estremamente ricco e dinamico.

All'interno della nostra Galassia sono stati osservati resti di supernova che emettono raggi gamma. Secondo i modelli attuali si ritiene che questi siano siti di accelerazione di particelle e ciò spiegherebbe l'enorme l'emissione di radiazione gamma ad essi collegata. Sono state inoltre scoperte pulsar che emettono raggi gamma. Le pulsar sono stelle di neutroni che ruotano ad altissima velocità attorno al proprio asse e sono dotate di un enorme campo magnetico. Queste caratteristiche sono responsabili dell'emissione in molte bande spettrali, fra cui i raggi gamma. E' stata rivelata anche un'emissione diffusa di radiazione gamma, che si concentra nel piano galattico ed è dovuta all'interazione dei raggi cosmici con il mezzo interstellare. Vi sono poi molte galassie attive che emettono raggi gamma, e questo particolare tipo di nuclei galattici attivi prende il nome di blazar.

Un particolare aspetto del cielo gamma, che suscita molto interesse fra i ricercatori, è la presenza di sorgenti transienti, la cui luminosità aumenta per un certo intervallo di tempo prima di scomparire. In particolare fra gli enigmi più intriganti dell'Universo vi sono attualmente i lampi gamma, che appaiono in istanti e direzioni casuali. Si pensa che i lampi gamma (Gamma Ray Burst) siano eventi catastrofici che si originano come conseguenza del collasso di buchi neri oppure dello scontro fra buchi neri o stelle di neutroni.

GLAST/Fermi offrirà una possibilità unica per studiare a fondo l'Universo gamma: oltre a scoprire migliaia di nuove sorgenti, potrà indagare settori di ricerca di frontiera, come ad esempio la Cosmologia.

Secondo molti modelli GLAST/Fermi potrebbe rivelare la presenza di particelle ancora ignote che contribuiscono alla materia oscura e che annichilano emettendo gamma.

 

Figura 5 - Prima immagine del cielo ottenuta poco dopo l’accensione del telescopio GLAST/Fermi

La figura 5 rappresenta la prima mappa del cielo gamma ottenuta con il telescopio GLAST/Fermi nei suoi primi quattro giorni di vita. L'immagine mostra la radiazione diffusa prodotta dal gas della Via Lattea colpito dai raggi cosmici, alcune pulsar che, come fari, si accendono e spengono ritmicamente e una abbagliante galassia distante miliardi di anni luce.

 

L'attività del gruppo GLAST a Pisa
Il gruppo pisano dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) fa parte della collaborazione internazionale GLAST insieme alle sezioni INFN di Bari, Padova, Perugia, Roma2, Trieste e Udine.
L'attività principale del gruppo è stata la progettazione, la costruzione e i test del tracciatore al silicio del LAT. Pisa  ha coordinato tutte le attività relative all'hardware e al software del tracciatore. Il capogruppo di Pisa, Ronaldo Bellazzini, è il responsabile delle attività GLAST Italia. Il tracciatore del LAT, con circa 82 m2 di area totale è il più grande sistema di tracciatura mai inviato nello spazio e la sua costruzione è stata una notevole sfida tecnologica e scientifica.

 

Figura 6 - Foto di uno dei 10368 senso-ri prodotti dalla ditta giapponese Hamamatsu Photonics

I componenti fondamentali del tracciatore sono wafer di silicio di tipo n con impianti di tipo p (strisce o strip) di circa 60µm di larghezza distanti tra loro 230µm. Su ogni wafer, 8.95×8.95 cm2 (v. figura 6),  sono state ricavate 384 strisce. I wafer sono stati incollati tra loro a gruppi di 4 e ciascuna strip collegata alla strip corrispondente sul wafer successivo attraverso una microsaldatura ad ultrasuoni (v. figura 7). Il rivelatore così ottenuto è chiamato ladder.

Per i prototipi e per il tracciatore sono stati necessari circa 11000 wafer, ciascuno dei quali è stato testato singolarmente per controllare che le specifiche elettriche e geometriche fossero corrette.

Il lavoro di test è stato messo a punto a Pisa. In seguito è stata affiancata una stazione di test presso l'INFN di Perugia.

La realizzazione dei ladder è stata condotta presso la G&A Engineering, un'azienda italiana nel settore tecnologico e i cui dipendenti lavorano in stretto contatto con i ricercatori INFN.

 

Figura 7 - Microsaldatura tra le strip di due wafer di GLAST     (2592 ladder in totale)

L’unione di quattro ladder forma un piano di rivelazione.

A due a due i piani di rivelazione vengono incollati, con le strip rivolte verso l'esterno, su i due lati di una struttura di materiale composito in fibra di carbonio per formare un elemento modulare chiamato tray (v. figura 8). Questa struttura è dotata di un'anima interna in alluminio a nido d'ape ed è per questo molto leggera da non aumentare il carico dovuto al tracciatore, ma al tempo stesso molto robusta e rigida da impedire torsioni che potrebbero danneggiare i sensori al silicio.

Tra il piano inferiore di silicio e la struttura in carbonio è interposto un foglio di tungsteno strutturato a mattonelle più o meno delle stesse dimensioni dei wafer che serve per convertire il raggio gamma nelle due particelle cariche e+e-.

Sulle pareti laterali del tray viene montata l'elettronica di lettura (v. figura 9). Ciascuna strip di un ladder è microsaldata all'ingresso del rispettivo amplificatore di carica.

 

Figura 8 - Foto di uno dei 342 tray di GLAST

Figura 9 -Particolare dell'elettronica montata sul tray e microsaldata alle strip dei sensori


In totale il tracciatore è equipaggiato con circa un milione di canali di elettronica! Gran parte dell'attività di test dei tray è stata condotta presso i laboratori INFN di Pisa, dove sono stati anche realizzati i test di tipo strutturale. 19 tray impilati uno sull'altro, con le strip di ogni tray ortogonali a quelle del tray seguente compongono una singola torre (v.figura 10). Le torri sono state tutte assemblate e testate a Pisa quindi sottoposte a test vibrazionali e cicli termici in camera a termo-vuoto nei laboratori dell' Alenia Spazio in collaborazione con le sedi INFN di Roma, Bari e Perugia.

Figura 10 - Foto della prima torre di GLAST assemblata nei laboratori dell'INFN di Pisa


Il gruppo di Pisa ha avuto ed ha tuttora un ruolo molto importante nello sviluppo del software di analisi , elaborazione e monitoraggio dei dati e nei programmi di simulazione di alcune classi di sorgenti gamma (lampi gamma e pulsar) allo scopo di conoscere più a fondo le problematiche scientifiche dell'esperimento e le sue potenzialità, in relazione allo sviluppo di tecniche di analisi dei dati. E’ stato inoltre determinante nella preparazione allo sfruttamento scientifico della missione e alla gestione dell’osservatorio e delle sue strategie osservative.

 

© 03/09/2008 - G.Spandre - INFN-Pisa