IV Missioni future e prospettive

Lo sviluppo di qualsiasi nuovo telescopio ha come obiettivo primario un aumento della sensibilità, combinato con una migliore risoluzione angolare e spettrale. Nel regime dei raggi gamma questo si traduce invariabilmente in una migliore determinazione delle posizioni di interazione dei fotoni e delle deposizioni di energia all’interno del mezzo di rilevazione. Una determinazione più accurata delle proprietà dei raggi gamma che interagiscono porta direttamente a una riduzione del tasso di fondo, poiché i veri eventi celesti hanno meno probabilità di essere confusi con le interazioni di fondo. Praticamente ogni telescopio a raggi gamma in fase di sviluppo cerca di migliorare queste misure di interazione sfruttando le nuove tecnologie dei rivelatori. La risoluzione spaziale ed energetica all’interno dei materiali del rivelatore è notevolmente migliorata, per esempio, con l’uso di rivelatori di strisce e pixel semiconduttori di recente sviluppo (come il silicio, il germanio e il CdZnTe). La sfida continua è quella di fabbricare tali dispositivi sensibili su piccola scala in quantità sufficientemente grandi e affidabili da poter essere incorporati in una nuova strumentazione su larga scala, a costi che possano essere ragionevolmente sostenuti. Un’altra caratteristica comune dei telescopi ad alta energia è il gran numero di segnali di dati che devono essere elaborati e registrati in sistemi di rivelatori multicanale. L’aumento dell’uso di circuiti integrati specifici per le applicazioni (ASIC) che impiegano tecniche di integrazione su larga scala (VLSI) è imperativo per il funzionamento efficiente degli strumenti ad alta energia. Fortunatamente, la velocità di calcolo e le capacità di immagazzinamento dati continuano ad aumentare ad un ritmo costante, e gli sperimentatori sono pronti a sfruttare queste nuove capacità nei loro progetti di strumenti.

Al momento di scrivere (2001), un certo numero di missioni di raggi gamma sono programmate per il lancio nel prossimo futuro (vedi Tabella II). La chiave tra queste è l’International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), una missione dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) con la partecipazione della Russia e della NASA. INTEGRAL sarà lanciato nel 2002 e sarà dedicato alla spettroscopia ad alta risoluzione (E/ΔE ∼ 500) e all’imaging (∼ 12″ FWHM) nella gamma di energia da 15 kev a 10 MeV. INTEGRAL trasporta due strumenti a raggi gamma, lo spettrometro SPI e l’imager IBIS, entrambi operati come telescopi ad apertura codificata per un’accurata identificazione della sorgente. Lo SPI impiega rivelatori al germanio ad alta purezza, mentre l’IBIS utilizza due piani di rivelazione, uno strato anteriore di elementi CdTe e un secondo strato composto da pixel CsI. Riconoscendo la necessità di una copertura a banda larga, l’INTEGRAL trasporta anche due monitor a raggi X ad apertura codificata (JEM-X), così come una telecamera di monitoraggio ottico (OMC). L’obiettivo scientifico primario degli strumenti di INTEGRAL è quello di effettuare studi spettroscopici ad alta risoluzione di sorgenti nella regione della linea nucleare dello spettro.

Il Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), il cui lancio è previsto dalla NASA nel 2005, sarà la missione successiva al grande successo dell’esperimento CGRO EGRET. La sensibilità di GLAST, da 20 MeV a 300 Gev, si estenderà ben oltre la gamma di EGRET, fornendo una copertura molto necessaria nella regione poco osservata di Gev dello spettro. Una più moderna tecnologia di tracciamento delle particelle (rivelatori a striscia di silicio) sarà impiegata in GLAST al posto delle griglie a scintilla-camera usate nei precedenti telescopi a produzione di coppie. GLAST avrà un grande campo visivo (∼ 2 sr) e raggiungerà un miglioramento del fattore 30 nella sensibilità del flusso e un miglioramento del fattore 10 nella capacità di localizzazione delle sorgenti puntuali rispetto a EGRET. GLAST trasporterà anche un monitor di gamma-ray burst.

Missioni progettate specificamente per gli studi di gamma-ray burst includono HETE-2 e Swift. L’High-Energy Transient Experiment-2 (HETE-2) è stato lanciato nel 2000 ed è diventato operativo all’inizio del 2001. Questo satellite trasporta tre strumenti scientifici: uno spettrometro a raggi gamma quasi omnidirezionale, un monitor a raggi X ad ampio campo e una serie di telecamere a raggi X morbidi. Uno dei principali obiettivi della missione HETE-2 è la rapida identificazione e l’accurata localizzazione di esplosioni di raggi gamma, le cui coordinate saranno trasmesse in pochi secondi agli osservatori a terra per ricerche di controparti profonde. La missione Swift, recentemente selezionata (il cui lancio è previsto per il 2003), effettuerà anche studi a lunghezza d’onda multipla dei gamma-ray burst, alla maniera di BeppoSAX e HETE-2. Come il suo omonimo aviario, Swift si “nutrirà al volo” localizzando rapidamente i gamma-ray burst con una precisione di ∼ 1-4′, e trasmettendo le coordinate a terra entro ∼ 15 s per ricerche di controparti successive. Swift può anche essere rapidamente riorientato per effettuare osservazioni con i suoi telescopi a raggi X e ultravioletti/ottici che saranno usati per studiare le proprietà dell’afterglow, fissare le posizioni a livelli di secondi d’arco e determinare le distanze attraverso misure spettrali di redshift.

L’High-Energy Solar Spectroscopic Imager (HESSI) è una missione finanziata dalla NASA per studiare le caratteristiche dell’accelerazione delle particelle nelle eruzioni solari attraverso le emissioni di raggi X e gamma prodotte in questi eventi energetici. HESSI, il cui lancio è previsto per il 2001 al picco del ciclo solare, effettuerà misure spettroscopiche ad alta risoluzione delle linee nucleari e del sottostante continuum di bremsstrahlung nell’intervallo di energia da 3 kev a 20 MeV con una serie di rivelatori al germanio ad alta purezza raffreddati. HESSI effettuerà l’imaging in trasformata di Fourier dell’intero Sole alla risoluzione di ∼ 2″-36″ nella sua gamma sensibile utilizzando collimatori modulanti rotanti. Poiché HESSI non è schermato, può anche effettuare altre osservazioni non solari, compresa la misura delle linee diffuse galattiche dovute al 26Al radioattivo (a 1,809 MeV) e all’annichilazione di positroni (a 0,511 MeV).

Nell’area degli studi planetari, la missione Mars Odyssey della NASA è anche prevista per il lancio nel 2001. Tra la sua suite di strumenti ci sono uno spettrometro a raggi gamma e due rivelatori di neutroni. Questi saranno usati per mappare completamente la superficie marziana e determinare la sua composizione elementare. Le misure di neutroni e raggi gamma in combinazione saranno anche usate per ottenere una stima del contenuto d’acqua della vicina superficie marziana.

Altri esperimenti e missioni di raggi gamma sono stati identificati come una priorità dal Gamma-Ray Astronomy Program Working Group, un pannello consultivo della NASA composto da scienziati della comunità delle alte energie. Tra le loro raccomandazioni per lo sviluppo futuro c’è un telescopio Compton avanzato che impiega le più recenti tecnologie di rilevazione per l’applicazione nella regione MeV dello spettro.

I palloni aerostatici scientifici ad alta quota sono serviti a lungo come banco di prova per nuove strumentazioni. I telescopi a raggi gamma richiedono lunghe esposizioni, a causa dei flussi relativamente bassi delle sorgenti e degli alti sfondi strumentali, mentre la durata di un tipico volo in pallone, purtroppo, può essere spesso piuttosto limitata (pochi giorni al massimo). Per ovviare a questo inconveniente, la NASA ha recentemente avviato il progetto Ultra-Long Duration Balloon (ULDB), i cui voli in mongolfiera di 100 giorni intorno al mondo estenderanno notevolmente il tempo in alto per gli strumenti scientifici. Il programma ULDB fornirà le opportunità tanto necessarie per voli in pallone con esposizioni più lunghe, così come un’attraente alternativa a basso costo alle missioni spaziali su larga scala.

Tra le collaborazioni attivamente impegnate negli studi air-Cherenkov a terra dei raggi gamma TeV ci sono anche una serie di sforzi in corso per aggiornare le strutture esistenti, principalmente attraverso un aumento della superficie di raccolta ottica. Forse i più ambiziosi sono quelli della collaborazione VERITAS, con un array pianificato di sette telescopi da 10 m negli Stati Uniti, il gruppo italo-franco-tedesco HESS con 4 a 16 telescopi di classe 12 m da costruire in Namibia, il progetto tedesco-spagnolo MAGIC con un telescopio di 17 m di apertura, e l’array giapponese SuperCANGAROO di quattro telescopi da 10 m in Australia. In uno sforzo correlato, la collaborazione MILAGRO sta costruendo un rivelatore acqua-Cherenkov con un ampio campo visivo nel New Mexico negli USA per misure TeV. Come rivelatore coperto a tenuta di luce MILAGRO ha l’ulteriore vantaggio di poter rimanere operativo per 24 ore al giorno.