Il 9 dicembre è previsto il lancio di un ulteriore Falcon 9 con a bordo il telescopio della NASA IXPE (Imaging X-Ray Polarimetry Explorer). Il lancio è previsto alle 07:00 orario italiano, dalla rampa LC-39A del Kennedy Space Center. Questo telescopio fa parte del programma Small Explorer program (SMEX) della NASA, una serie di missioni a basso budget e ad alto impatto scientifico. La costruzione di IXPE è stata infatti costruita solo nel 2017, con un costo totale di soli 190 milioni di dollari. Il telescopio stesso è di piccole dimensioni, con una massa di 370 kg.
Questa missione è stata progettata e costruita dalla NASA in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Italiana. Sono state inoltre coinvolte le università di Stanford, di Colorado Boulder, la McGill University, il MIT e OHB Italia. In questo approfondimento abbiamo chiesto al Dott. Luca Latronico di commentare i principali aspetti e obbiettivi di questo telescopio.
Il Dott. Latronico è ricercatore dell’INFN della sezione di Torino, oltre che co-investigator di IXPE, quindi uno dei proponenti della missione. Ha ricoperto il ruolo del Project Manager per la costruzione del progetto Detector Unit per conto dell’INFN. Ha inoltre seguito e coordinato il gruppo di lavoro di fisici e ingegneri che in Italia ha assemblato, testato e qualificato le 4 Detector Unit del programma IXPE. Così ha spiegato il contributo italiano a IXPE:
L’Italia contribuisce ad IXPE attraverso l’Agenzia Spaziale Italiana, con la quale collaborano gli istituti di ricerca che hanno effettivamente proposto la missione assieme all’ASI che sono l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e l’Istituto Nazionale di Astrofisica. L’Italia, tramite ad ASI, fornisce l’intero piano focale della missione. L’Italia contribuisce grazie alle unità di telescopi che porta in dote alla missione, i quali, accoppiati agli specchi forniti dalla NASA, costituisce essenzialmente l’intero payload scientifico che è a bordo del satellite IXPE.
IXPE studierà principalmente la polarizzazione delle sorgenti cosmiche di raggi X, come le stelle a neutroni, le pulsar e i buchi neri stellari e supermassicci. I tre telescopi di cui è dotato il telescopio sono in grado di misurare questa “vibrazione” della radiazione emessa, ottenendo una comprensione più estesa dei processi astrofisici delle alte energie. Gli obbiettivi primari della missione riguardano:
Qual è lo spin dei buchi neri? Quali sono la geometria e la forza del campo magnetico delle magnetars, le stelle a neutroni caratterizzate da un campo magnetico miliardi di volte superiore a quello terrestre? Qual è l’origine dei raggi X nelle pulsars? Sono alcune delle domande a cui IXPE proverà a dare una risposta. Nell’astrofisica delle alte energie sono moltissimi i meccanismi da comprendere e IXPE sarà in grado di aprire una nuova finestra di risposte, portando con sé altrettante domande. Il Dott. Latronico ha così commentato gli obbiettivi scientifici di IXPE:
IXPE, grazie alla tecnologia abilitante di rivelatori al Gas-Pixel Detector che abbiamo inserito in questa missione, sarà per la prima volta in grado di fare un censimento di diverse decine di sorgenti di varia natura, sia galattiche, sia extragalattiche per confermare il grado di polarizzazione di queste sorgenti. La polarizzazione è una proprietà che ci si aspetta esistere nella stragrande maggioranza delle sorgenti attive, quindi che emettono radiazione X non termica, ma finora era stata misurata solo per un paio di sorgenti molto brillanti, perché le tecniche di osservazione erano particolarmente inefficaci.
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Questa missione non è l’unica a focalizzarsi sul range di lunghezze d’onda dei raggi X, ma è la prima a studiare la polarizzazione delle sorgenti cosmiche che producono questo tipo di radiazione. Attraverso la polarimetria è possibile misurare questa proprietà caratteristica della luce. Le onde elettromagnetiche propagano l’omonima radiazione nello spazio in maniera simile a ciò che accade quando gettiamo un sasso in un laghetto. Il viaggio della radiazione elettromagnetica avviene sotto forma di oscillazioni sincronizzate del campo elettrico e magnetico.
La direzione con cui questi vettori oscillano definisce la polarizzazione. Questa grandezza è in grado di sondare le anisotropie dell’Universo, ossia quei fenomeni astronomici che presentano diverse caratteristiche rispetto diverse direzioni di analisi. E’ il caso ad esempio di campi magnetici ordinati, delle distribuzioni di materia sferica o degli spin dei buchi neri. Attraverso la polarimetria è quindi possibile comprendere la geometria e la fisica del soggetto che emette la radiazione a raggi X, solitamente associato a un ambiente turbolento e ancora da scoprire.
IXPE è un osservatorio spaziale a raggi X come altri suoi importanti predecessori: Chandra, Integral, Fermi. Tuttavia, anche se i target della missione saranno molto simili a quelli dei telescopi precedenti, IXPE li osserverà in maniera molto diversa. Infatti è stato progettato e costruito per fornire misure contemporanee non solo di variabilità e spettri elettromagnetici, ma anche di polarizzazione. Questo permetterà di studiare la geometria degli oggetti cosmici, l’emissione e l’accelerazione di particelle, le condizioni della radiazione e della materia in ambienti estremi.
Nel caso dei raggi X, quando la radiazione attraversa un materiale vengono emessi fotoni polarizzati perpendicolarmente al piano iniziale. Per esempio:
La polarimetria X è ancora largamente sottosviluppata, in confronto alle altre branche dell’astronomia X. Nessuna missione di polarimetria X è stata indetta negli ultimi 40 anni: ora i modelli da testare sono davvero molti. La missione IXPE prevede studi veramente rivoluzionari grazie a queste misurazioni polarimetriche. Il Dott. Latronico ha così spiegato la differenza peculiare di IXPE:
Il punto di forza è l’unicità di IXPE: la capacità di misurare la radiazione polarizzata. Non c’è nessun’altra missione che nella banda X è in grado di fare questo. Quindi in assoluto ci aspettiamo che IXPE aprirà una nuova finestra osservativa dell’astrofisica.Questo dovrebbe per la prima volta completare il quadro osservativo della luce.
Nel senso che altre missioni hanno sicuramente la capacità sotto alcuni aspetti migliori di IXPE di produrre immagini, o di risolvere gli specchi, quindi capire come è distribuita l’energia dei fotoni che sono emessi dalle sorgenti. E sono in grado di fare misure velocissime per capire ad esempio la struttura di eventi transienti come i Gamma Ray Burst. Queste tre cose, misurare la direzione, le energie e il tempo, IXPE le farà meno bene delle missioni dedicate a queste misure. Tuttavia IXPE, e sarà la sola a farlo, aggiungerà una quarta informazione finora non conosciuta, la polarizzazione dei fotoni emessi dalle sorgenti.
Il telescopio IXPE è costituito da due 3 strutture fondamentali:
L’MMSS contiene l’insieme di specchi MMA (Mirror Module Assembly) e lo Star tracker, posizionato a una estremità del braccio telescopico. Sull’altra estremità si trovano invece le Detector Units e le Detector Service Unitis. Ixpe è costituito da 3 telescopi identici, ognuno dei quali è costituito da una coppia specchio (MMA) e una Detector Unit.
Ciascun MMA è invece costituita da 24 specchi in configurazione Wolter-1. Tale configurazione è la più utilizzata nei telescopi a raggi-X, ed è costituita da specchi parabolici e iperbolici posizionati come da foto. La distanza focale degli specchi è di circa 4m e permettono una risoluzione angolare minore a 29 arcsec (1 arcsec = 1/3600 °).
Le Detector Unit (DU) rappresentano il cuore dell’intero telescopio. Ciascuna DU è posizionata nel fuoco del rispettivo MMA. Il ruolo della Detector Unit è quello di fornire dati relativi alla posizione, all’energia, al tempo e alla polarizzazione del corpo osservato. Le Detector Units presentano al loro interno dei Gas Pixel Detector (GPD), dispositivi in grado di graficare le tracce dei fotoelettroni prodotte dall’assorbimento dei raggi-X nel gas (dimetil etere). Questo è il modo in cui IXPE rivelerà i fotoni X e ne misurerà le proprietà di polarizzazione secondo il Dott. Latronico:
I fotoni entrano negli specchi e vengono focalizzati sulle Detector Unit a 4 metri di distanza, quelli che convertono nel gas vengono quindi letti dalla nostra strumentazione che ha la capacità di ricostruire per ciascun singolo fotone la sua modalità di interazione con il gas che noi abbiamo inserito nel rivelatore per convertire il fotone stesso. La capacità di misurare questa interazione e lo sviluppo di quella che è la traccia che il fotone, attraverso l’emissione di un fotoelettrone, rilascia ne gas, è la caratteristica unica e innovativa nelle Detector Unit che permette di misurare con molta efficienza la polarizzazione della radiazione X uscente.
Ovviamente questo non è scisso dalla tradizionale capacità che anche Ixpe mantiene di fare imaging, quindi in qualche modo risolvere le immagini dei fotoni che riceve. Abbiamo quindi una certa capacità di ricostruzione dimensionale e altrettanto abbiamo la capacità di misurare lo spettro, seppur con una risoluzione non particolarmente eccellente. Possiamo comunque farlo con una risoluzione attorno al 20% e questo ci permette di fare non solo misure di polarizzazione integrata su tutta la sorgente, ma risolta in energia. Quindi capire come la polarizzazione varia in funzione dell’energia e per le sorgenti estese risolta in posizione sfruttando l’imaging. Cioè capire come la polarizzazione varia in posizioni diverse della sorgente.
Le Detector Units sono in grado rappresentare il tracciato del fotoelettrone mediante opportune amplificazioni delle ionizzazioni che avvengono nel gas. Tali amplificazioni vengono eseguite tramite l’utilizzo di un ASIC (Specifica applicazione di un circuito integrato) su una matrice di pixel dalla forma esagonale. Da qui è possibile comprendere meglio i grafici degli eventi analizzati. (FOTO traccia del fotoelettrone).
Gli specchi e i Detector sono mantenuti alla distanza di circa 4 metri (distanza focale degli specchi) mediante l’utilizzo del braccio telescopico (boom). Tale braccio si estende a in maniera controllata quando il telescopio avrà raggiunto l’orbita. All’estremità del telescopio vi è un meccanismo che permette di regolare l’angolazione e la rotazione del sistema di specchi al fine di far convergere con precisione i raggi sui Detector. Il sistema di regolazione è reso necessario dalla dimensione estremamente ridotta delle DU, l’area utile di tali apparecchi misura appena 15mm2. Il boom è rivestito in materiale termico in modo da limitarne la dilatazione dovuta all’escursione termica a cui il telescopio è sottoposto.
Il lancio del telescopio IXPE era inizialmente previsto a bordo del piccolo vettore Pegasus. Si tratta di un piccolo vettore a tre stadi con propellente solido portato a 12 km di quota da un Lockheed L-1011 TriStar. Il vettore Pegasus, lanciato a partire dal 1990, non è più in commercio e il telescopio IXPE è stato spostato su un vettore Falcon 9. Nonostante il razzo di SpaceX sia decisamente sovradimensionato (al suo interno possono essere contenuti fino a 14 telescopi) è risultato il più conveniente per questo lancio, con un prezzo di soli 58 milioni di dollari. IXPE sarà immesso in orbita equatoriale, con un’inclinazione di soli 0.2° e a una quota di 540 km.
La campagna scientifica di IXPE riflette la semplicità e l’efficacia del progetto. È infatti previsto che la raccolta di dati inizi già a partire dalla fine del 2021 con i primi risultati previsti per le prime settimane di gennaio.
Questo approfondimento è stato scritto con il contributo di Chiara De Piccoli, Mariasole Maglione e Simone Locatelli. L’intervista al Dott. Latronico è stata eseguita da Simone Locatelli.
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