Duecentocinquanta scienziate, scienziati e rappresentanti delle principali istituzioni di ricerca di tutto il mondo hanno celebrato l’inaugurazione del sottosistema del Large-Sized Telescope (Lst) presso il sito settentrionale del Cherenkov Telescope Array Observatory (Ctao) – Nord, situato all’Osservatorio del Roque de los Muchachos a La Palma, nell’arcipelago delle Canarie (Spagna). Il completamento dei quattro telescopi Lst segna una tappa fondamentale per le comunità mondiali dell’astrofisica e della fisica delle astroparticelle, e rappresenta un passo cruciale verso la piena operatività scientifica del Ctao, a cui hanno dato un contributo rilevante anche l’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn).

Il sottosistema sottosistema del Large-Sized Telescope (Lst) presso il sito settentrionale del Cherenkov Telescope Array Observatory (Ctao) – Nord, situato all’Osservatorio del Roque de los Muchachos a La Palma, nell’arcipelago delle Canarie (Spagna). Crediti: Lst Collaboration

Ciascun telescopio è dotato di uno specchio di 23 metri di diametro ed è equipaggiato con fotocamere all’avanguardia e ultraveloci. Progettati per rivelare i deboli lampi di luce Cherenkov prodotti dall’interazione dei raggi gamma ad altissima energia con l’atmosfera terrestre, i telescopi Lst sono gli strumenti più sensibili al mondo per l’osservazione dei raggi gamma a energie comprese tra circa 20 gigaelettronvolt (GeV) e diversi teraelettronvolt (TeV).

Questa straordinaria sensibilità è fondamentale per individuare sorgenti di raggi gamma remote e transitorie. Poiché i raggi gamma ad altissima energia vengono gradualmente assorbiti mentre attraversano l’Universo, la capacità dei telescopi Lst di rivelare raggi gamma fino alle più basse energie consente agli scienziati di esplorare sorgenti a distanze cosmologiche, di risalire più indietro nella storia cosmica e di osservare la rapidissima variabilità delle sorgenti gamma in dinamica evoluzione con maggiore accuratezza statistica.

Il pioniere Lst-1

Già a partire dal 2020, ancor prima del completamento dell’intero sottosistema, durante la sua fase di collaudo, il prototipo Lst-1 ha prodotto risultati di notevole portata. Tra questi rientrano le osservazioni di pulsar, gli studi sui nuclei galattici attivi a distanze cosmologiche e il rapido monitoraggio di fenomeni transienti come nove e lampi di raggi gamma (Grb).

Con l’affiancamento dei tre nuovi Lst (Lst-2, Lst-3 e Lst-4) all’esistente Lst-1, i quattro telescopi formano ora una vera e propria rete (sottosistema). Osservando simultaneamente da più direzioni il medesimo sciame di raggi gamma, i telescopi Lst offriranno una sensibilità nettamente superiore, una risoluzione angolare migliore e una ricostruzione dell’energia più precisa, aprendo un nuovo livello di accuratezza nello studio dell’universo a raggi gamma.

«Il completamento del sottosistema Lst è il culmine di oltre quindici anni di collaborazione internazionale e innovazione tecnologica», ha dichiarato Masahiro Teshima, Principal Investigator della collaborazione Lst e portavoce del consorzio Ctao. «Questi telescopi ci permetteranno di esplorare alcuni degli ambienti più estremi dell’Universo, tra cui buchi neri supermassicci e stelle di neutroni, di indagare le possibili origini dei raggi cosmici e di contribuire alle ricerche sulla natura della materia oscura».

Uno dei telescopi del sottosistema Lst a Ctao-Nord. Crediti: Lst Collaboration

In viaggio verso l’universo primordiale

Gli Lst costituiscono il cuore a bassa energia di Ctao-Nord e offriranno un’opportunità unica per sondare l’universo, risalendo indietro nel tempo fino a circa 12 miliardi di anni fa, quando esso aveva meno di due miliardi di anni. La loro sensibilità ai raggi gamma di energia più bassa consentirà di individuare e studiare brillanti lampi di raggi gamma ad alto redshift, estendendo potenzialmente le osservazioni gamma a sorgenti con redshift fino a z~4 e fornendo nuove informazioni sull’Universo primordiale.

«Oggi si celebra un passo avanti importantissimo verso la realizzazione del Ctao, a cui l’Italia contribuisce con un patrimonio di capacità scientifiche, progettuali e industriali. L’Italia ospita a Bologna, presso l’Inaf, la sede centrale dell’Osservatorio internazionale e sta contribuendo alla realizzazione di gran parte dei suoi strumenti. Oggi l’attenzione è focalizzata sul sito nord, ma il nostro sguardo abbraccia l’intero Osservatorio: il contributo italiano è infatti particolarmente significativo anche nel sito sud, in Cile, attraverso la realizzazione di altri due Large-Sized Telescopes e ben 37 Small-Sized Telescopes, tutti in costruzione in Italia e destinati a Ctao-Sud», ha affermato Lucio Angelo Antonelli, dirigente di ricerca all’Inaf e co-principal investigator della collaborazione internazionale Lst. «Le prossime fasi di collaudo e integrazione nelle operazioni del Ctao porteranno questi strumenti a esprimere pienamente le loro capacità. È un passaggio decisivo verso le scoperte che attendiamo, ma soprattutto verso quelle che ancora non sappiamo immaginare».

«L’Infn partecipa allo sviluppo di questi nuovi telescopi fin dalle prime fasi di progettazione. Ha realizzato la struttura in fibra di carbonio che sostiene l’arco della camera e ha contribuito alla costruzione della camera stessa, oltre a sviluppare altri componenti meccanici ed elettronici di alta precisione, necessari per calibrare il sistema di puntamento. Finora il nostro contributo si è concentrato soprattutto sugli strumenti del sito nord di Ctao, ma ora, grazie ai finanziamenti del Pnrr del Ministero dell’università e della ricerca, stiamo dando assieme all’Inaf un grande contributo alla realizzazione delle camere dei telescopi del sito sud», spiega Mosè Mariotti, ricercatore dell’Infn responsabile nazionale del gruppo Infn in Ctao. «Nei prossimi due anni, quando i nuovi telescopi entreranno pienamente in funzione, la sensibilità aumenterà notevolmente, fino a un ordine di grandezza rispetto agli strumenti attuali: questo significa che potremo ottenere gli stessi risultati scientifici in un centesimo del tempo, aprendo nuove straordinarie possibilità di scoperta», conclude Mariotti.

Uno dei telescopi del sottosistema Lst a Ctao-Nord. Crediti: Tomohiro Inada

Nei prossimi anni, gli Lst saranno sottoposti a collaudo e integrati nelle operazioni di Ctao. Insieme agli altri telescopi previsti per entrambi i siti dell’Osservatorio, affronteranno questioni fondamentali dell’astrofisica, della fisica delle particelle e della cosmologia, come la natura della materia oscura, l’origine dei raggi cosmici e la fisica degli acceleratori cosmici estremi.

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Per saperne di più:

• Informazioni sulla Collaborazione Lst
  La Collaborazione Large-Sized Telescope (Lst) è un consorzio internazionale di scienziati, ingegneri e istituzioni impegnati nella progettazione, costruzione e messa in servizio degli Lst per il Ctao. La collaborazione ha sviluppato tecnologie avanzate nell’ottica, nei rivelatori, nella meccanica e nell’elettronica ad alta velocità per raggiungere la soglia energetica più bassa mai ottenuta da osservatori gamma da terra. Il progetto è stato reso possibile da una solida partnership internazionale che coinvolge istituzioni provenienti da Brasile, Bulgaria, Croazia, Francia, Germania, Giappone, Italia, Polonia, Repubblica Ceca, Spagna e Svizzera.
• Informazioni su Ctao
  Il Ctao (Cherenkov Telescope Array Observatory) sarà il più grande e potente osservatorio al mondo per l’astronomia a raggi gamma. La precisione senza precedenti e l’ampio intervallo energetico del Ctao (20 GeV – 300 TeV) aiuteranno a rispondere ad alcuni dei quesiti più complessi dell’astrofisica e della fisica delle particelle, articolati in tre temi principali: comprendere l’origine e il ruolo delle particelle cosmiche relativistiche; sondare ambienti estremi come buchi neri o stelle di neutroni; ed esplorare le frontiere della fisica, alla ricerca della materia oscura o di deviazioni dalla teoria della relatività di Einstein. Per coprire il suo ampio intervallo di energia, il Ctao utilizzerà tre tipi di telescopi: Large-Sized Telescope (Lst), Medium-Sized Telescope (Mst) e Small-Sized Telescope (Sst). Oltre 60 telescopi saranno distribuiti tra due stazioni osservative: Ctao-Nord, nell’emisfero settentrionale presso l’Osservatorio del Roque de los Muchachos a La Palma (Spagna), e Ctao-Sud, nell’emisfero meridionale presso l’Osservatorio dell’Eso al Paranal nel deserto di Atacama (Cile).

Analizzando un campione di trecento sistemi meglio caratterizzati tra gli oltre mille noti nella Via Lattea, un team internazionale di ricerca guidato dall’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) ha scoperto che i sistemi multi-pianeta finora identificati appartengono a due distinte “famiglie”. Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Nature Astronomy, dimostra per la prima volta l’esistenza di un vero e proprio “legame genetico” tra la stella madre e i suoi pianeti, in grado di determinare la nascita, l’evoluzione dinamica e la futura stabilità dell’intero sistema planetario.

Illustrazione schematica del legame evolutivo tra le proprietà stellari e le architetture dei sistemi planetari. Ambienti di formazione stellare differenti danno origine a stelle e dischi protoplanetari con masse e abbondanze di elementi pesanti diverse, che a loro volta influenzano l’architettura dei sistemi multiplanetari che si formano al loro interno. Le stelle di massa inferiore a quella del Sole e con metallicità subsolare tendono a ospitare sistemi compatti, caratterizzati da livelli più bassi di eccitazione dinamica e da pianeti più piccoli ma più numerosi (a sinistra). Al contrario, le stelle più massicce, con metallicità solare o superiore, tendono a ospitare sistemi con un numero inferiore di pianeti, ma più massicci e distribuiti su orbite più ampie. Questi sistemi presentano una maggiore eccitazione dinamica, probabilmente dovuta a instabilità gravitazionali che possono espellere alcuni dei pianeti formatisi inizialmente (a destra). Crediti: Inaf / Università di Valencia / immagine generata con Ia

La prima famiglia è composta da sistemi ampi e massicci, spesso con masse totali comprese tra il doppio e dieci volte quelle del Sistema solare, che orbitano attorno a stelle più massicce e ricche di metalli (cioè elementi diversi da idrogeno ed elio) del nostro Sole. La seconda famiglia comprende invece sistemi compatti e a massa inferiore, costituiti da pianeti con masse e dimensioni comparabili tra loro – in una configurazione nota come “piselli in un baccello” (peas-in-a-pod, in inglese) – che orbitano attorno a stelle con massa e metallicità uguali o inferiori a quelle del Sole a distanze che, nella maggioranza dei casi, sono ben più strette di quelle di Mercurio nel Sistema solare.

Per poterle distinguere, le ricercatrici e i ricercatori hanno utilizzato una serie di parametri che consentono di confrontare le caratteristiche di sistemi così diversi tra loro. Per esempio, si è visto che quelli della prima famiglia presentano un’elevata “temperatura dinamica”. Misurata tramite un parametro che quantifica lo scostamento del sistema da una configurazione imperturbata con tutte le orbite circolari e sullo stesso piano,  questa caratteristica è la traccia di un passato segnato da violente instabilità gravitazionali, collisioni giganti ed espulsioni di pianeti. I membri della seconda famiglia, invece, mostrano tracce di storie dinamiche meno violente e più vicine a quella del nostro Sistema solare.

«La domanda fondamentale da cui siamo partiti è stata: cosa determina le caratteristiche dei sistemi planetari come li vediamo oggi? Vengono stabilite alla nascita o sono scolpite dall’evoluzione nel tempo? La verità, alla fine, si è rivelata stare nel mezzo», spiega Diego Turrini, ricercatore dell’Inaf e co-primo autore dell’articolo. «I nostri risultati mostrano che esiste un legame genetico tra i sistemi planetari e le loro stelle e che, in funzione della stella attorno cui nascono, questo legame ne determina anche il destino». Variazioni, anche contenute nell’ambiente di formazione planetaria, dovute alle diverse proprietà stellari, possono cambiare radicalmente la natura del sistema in formazione e la sua evoluzione futura, determinando se questa sia caratterizzata da fasi di marcata instabilità e da impatti giganti.

«La difficoltà principale durante l’analisi dei dati è stata determinare se le due famiglie di sistemi planetari fossero reali o solo un’illusione creata dai limiti tecnologici delle attuali tecniche osservative», aggiunge Camilla Danielski, ricercatrice dell’Università di Valencia precedentemente assegnista di ricerca all’Inaf, co-prima autrice del lavoro. «Alla fine del percorso è diventato chiaro che gli effetti di selezione hanno agito come la punta dell’iceberg, rivelando l’esistenza di diversità ben più profonde e strutturali tra questi sistemi».

Per poter provare questa ipotesi, è stata essenziale anche una serie di simulazioni numeriche che hanno esplorato l’evoluzione di sistemi planetari con diverse condizioni iniziali. «Gli scenari che meglio riproducono le proprietà dinamiche della famiglia di sistemi ampi e massivi sono quelli in cui i sistemi sono instabili fin dalla nascita», sottolinea Danae Polychroni, ricercatrice dell’Inaf che ha seguito questa parte dello studio. «La maggiore abbondanza di materiale da cui formare i pianeti attorno alle loro stelle ospite fa sì che questi nascano troppo grandi, impedendo al sistema di rimanere stabile».

La scoperta chiarisce come l’ambiente stellare nativo influisca direttamente sul destino dei pianeti e sulla sopravvivenza di mondi potenzialmente in grado di ospitare la vita. La conoscenza di questo legame genetico costituisce una chiave di lettura essenziale per orientare la ricerca di architetture planetarie simili al Sistema solare e di pianeti potenzialmente abitabili come la Terra.

Per saperne di più:

• Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Two families of multi-planet systems with distinct architectures and stellar hosts”, di Diego Turrini, Camilla Danielski, Danae Polychroni, Robert Przyłuski, Hans Rickman, Diego Bossini, J. M. Diederik Kruijssen, Angelo Zinzi, Simon Goodwin, Steven N. Longmore, Mélanie Chevance e Lise Ramambason. Lo studio, a guida Inaf e supportato dall’International Space Science Institute di Berna tramite il progetto “Transformation of Planetary Systems by Environmental Perturbations” guidato da Diederik Kruijssen, vede la partecipazione di un’ampia collaborazione internazionale, con l’Università di Valencia, l’Agenzia Spaziale Italiana (Asi), il Centrum Badań Kosmicznych Pan, l’Università di Uppsala e diverse università europee.