L’Osservatorio NSF-DOE Rubin rivoluzionerà l’astronomia multi-messaggero

L’Osservatorio Vera C. Rubin unirà le osservazioni coordinate dei fenomeni cosmici utilizzando i quattro messaggeri dell’Universo.

 

 

Fotoni, neutrini, raggi cosmici e onde gravitazionali trasportano tutti informazioni sull’Universo.

L’astronomia multi-messaggero riunisce questi quattro segnali per studiare gli eventi astronomici da molteplici prospettive cosmiche.

Con la sua fotocamera sensibile e la sua suite di filtri, l’Osservatorio NSF-DOE Vera C. Rubin aumenterà la popolazione di sorgenti multi-messaggere conosciute ottenendo informazioni cruciali sui colori e localizzando gli eventi per le osservazioni di follow-up da parte di altri telescopi.

L’astronomia si è sempre affidata alla luce per trasmettere informazioni sull’Universo.

Ma catturare i fotoni non è più l’unica tecnica che gli scienziati hanno per studiare i fenomeni astronomici.

Anche le particelle subatomiche, come i neutrini e quelle che vengono trasportate sotto forma di raggi cosmici, così come le onde gravitazionali – increspature nel tessuto dello spazio-tempo – sono messaggeri.

 L’astronomia multi-messaggero mira a combinare le informazioni provenienti da più di uno di questi segnali per fornire ai ricercatori una comprensione più profonda di alcuni degli eventi più estremi dell’Universo.

 L’Osservatorio NSF-DOE Vera C. Rubin contribuirà presto a questo campo emergente utilizzando la sua potente fotocamera e l’ampio campo visivo per trovare deboli sorgenti multi-messaggero e puntare altri telescopi nella giusta direzione per le osservazioni di follow-up.

L’Osservatorio Rubin è finanziato congiuntamente dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Office of Science (DOE/SC). Si tratta di un programma di NSF NOIRLab, che, insieme allo SLAC National Accelerator Laboratory, gestirà congiuntamente Rubin.

L’astronomia multi-messaggero è un modo avanzato di studiare gli eventi cosmici che si prevede emettano più di un tipo di segnale, come le esplosioni stellari, i buchi neri che alimentano attivamente e le collisioni tra oggetti compatti, solo per citarne alcuni.

Ogni messaggero comunica informazioni uniche sui processi fisici e sulle energie coinvolte.

Quando una singola sorgente viene osservata utilizzando più segnali, i dati possono essere combinati per raggiungere un livello di comprensione più profondo. 

“Il risultato è più della somma delle sue parti”, afferma Raffaella Margutti, professore associato presso l’Università della California a Berkeley.

Oltre a condurre un massiccio studio del cielo australe chiamato Legacy Survey of Space and Time (LSST), Rubin eseguirà anche osservazioni “Target of Opportunity” in risposta rapida agli avvisi di potenziali fonti multi-messaggero.

Essendo il grande telescopio con la rotazione più veloce al mondo, Rubin può puntare i bersagli in soli tre minuti.

Tali osservazioni forniranno informazioni cruciali sulle proprietà ottiche di un evento, ovvero le lunghezze d’onda rilevabili dall’occhio umano, che a loro volta aiutano a localizzare l’evento per il follow-up da parte di altri telescopi.

Tuttavia, al fine di coordinare più telescopi in grado di rilevare i diversi tipi di messaggeri, gli scienziati devono sapere dove guardare. Segnali come le onde gravitazionali e i neutrini possono indirizzare gli scienziati nella direzione generale di una sorgente, ma per individuare la sua posizione esatta è necessaria la luce.

È qui che brillerà Rubin, dotato della fotocamera più grande e sensibile mai costruita per l’astronomia e l’astrofisica.

Margutti, i cui studi si concentrano specificamente sulla ricerca delle controparti elettromagnetiche degli eventi di onde gravitazionali, spiega: “Gli osservatori di onde gravitazionali possono solo dirti ‘guarda questa vasta area e cerca qualcosa di molto debole’. Ma non sai esattamente dove guardare”. 

Inoltre, la distanza alla quale gli osservatori attuali sono in grado di rilevare le onde gravitazionali può essere ben oltre il limite di ciò che possono rilevare con i fotoni, rendendo difficile osservare un evento con entrambi i messaggeri.

Con le sue ampie e profonde capacità, Rubin contribuirà a mitigare entrambe queste sfide.

 “Rubin vince due volte”, dice Margutti. “Il suo forte potere di raccolta della luce e la capacità di scansionare grandi sezioni di cielo lo rendono molto sensibile ai deboli segnali ottici, come quelli che cercheremmo da una sorgente di onde gravitazionali”.

Finora è stato osservato un solo evento di onde gravitazionali multi-messaggero: una fusione tra due stelle di neutroni che ha inviato sia increspature spazio-temporali che fotoni in tutto il cosmo.

Altri eventi che si prevede emetteranno più di un messaggero sono le fusioni buco nero-stella di neutroni e buco nero-buco nero. 

“Sarei super entusiasta se trovassimo fotoni provenienti da questo tipo di fusioni”, afferma Margutti.

“Rubin è in una posizione unica per confermare o espandere i tipi di fusioni che producono luce”.

La capacità di Rubin di rilevare sorgenti deboli sarà anche un punto di svolta per lo studio dei neutrini. Robert Stein, borsista post-dottorato del California Institute of Technology, spiega: “Nella scienza dei neutrini ci sono molti tipi diversi di possibili sorgenti, ma i telescopi ottici esistenti sono in grado di vedere solo quelle più luminose e insolite”. 

Sulla base del numero di neutrini che arrivano ai rivelatori qui sulla Terra, gli scienziati ritengono che ci sia una vasta popolazione di sorgenti di neutrini a varie distanze in tutto l’Universo.

Tuttavia, dati i limiti dei telescopi esistenti, Stein stima che solo il 5-10% di essi sia rilevabile anche con i fotoni.

Portando alla luce per la prima volta una miriade di deboli fonti, Rubin potrebbe aumentare il numero al 50%.

“La scienza dei neutrini è agli inizi, quindi la nostra lista di possibili fonti sta ancora emergendo”, afferma Stein. 

“Tra dieci o quindici anni scopriremo probabilmente che gli eventi di cui siamo già a conoscenza sono anche popolazioni di sorgenti di neutrini”.

Margutti e Stein sono entrambi fiduciosi che il potere generale di Rubin nell’era dell’astronomia multi-messaggero sarà quello di scoprire l’inaspettato.

Poiché copre vaste aree del cielo dell’emisfero australe, non si può dire cosa rivelerà l’impareggiabile visione di Rubin.

 “Il miglior uso di Rubin è come macchina di scoperta”, afferma Margutti.

Stein fa eco a un sentimento simile, dicendo: “Spero di imparare quali nuovi tipi di fonti dovremmo indagare in seguito. Se Rubin potesse darci quella chiarezza, e credo che lo farà, sarebbe fantastico”.

 

Immagine: Rubin Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld