Fotoni, neutrini, raggi cosmici e onde gravitazionali trasportano tutti informazioni sull’Universo. L’astronomia multi-messaggera riunisce questi quattro segnali per indagare gli eventi astronomici da molteplici prospettive cosmiche. Con la sua fotocamera sensibile e la serie di filtri, l’Osservatorio Vera C. Rubin dell’NSF-DOE aumenterà la popolazione di fonti multi-messaggere note, localizzando gli eventi per osservazioni di follow-up da parte di altri telescopi.
L’astronomia ha sempre fatto affidamento sulla 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 trasmesse sotto forma di raggi cosmici, così come le onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo, sono messaggeri. L’astronomia multi-messaggera mira a combinare le informazioni provenienti da più di uno di questi segnali per offrire ai ricercatori una comprensione più approfondita di alcuni degli eventi più estremi dell’Universo. L’Osservatorio Vera C. Rubin dell’NSF-DOE contribuirà presto a questo campo emergente utilizzando la sua potente fotocamera e il suo ampio campo visivo per trovare deboli sorgenti multi-messaggere e puntare altri telescopi nella giusta direzione per osservazioni di follow-up.
L’Osservatorio Rubin è finanziato congiuntamente dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti e dall’Office of Science (DOE/SC) del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti. È un programma dell’NSF NOIRLab che, insieme allo SLAC National Accelerator Laboratory, gestirà congiuntamente Rubin.
L’astronomia multi-messaggera
L’astronomia multi-messaggera è un modo avanzato di studiare eventi cosmici che si prevede emettano più di un tipo di segnale, come esplosioni stellari, buchi neri e collisioni tra oggetti compatti, per citarne solo 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, Professoressa associata presso l’Università della California a Berkeley.
Le osservazioni dell’Osservatorio Rubin
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 sorgenti multi-messaggere. Essendo il telescopio di grandi dimensioni più veloce al mondo, Rubin può puntare i bersagli in appena tre minuti. Tali osservazioni forniranno informazioni cruciali sulle proprietà ottiche di un evento, ovvero sulle 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, per coordinare più telescopi in grado di rilevare i diversi tipi di messaggeri, gli scienziati devono sapere dove guardare. Segnali come onde gravitazionali e neutrini possono indicare agli scienziati la direzione generale di una sorgente, ma per individuarne l’esatta posizione è necessaria la luce. È qui che brillerà Rubin, dotato della più grande e sensibile fotocamera 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 a cui 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 capacità profonde e ampie, Rubin aiuterà ad attenuare entrambe queste sfide. “Rubin vince due volte”, afferma Margutti. “Il suo forte potere di raccolta della luce e la capacità di scansionare ampie sezioni di cielo significano che è molto sensibile ai deboli segnali ottici, come quelli che cercheremmo da una sorgente di onde gravitazionali“.
Finora è stato osservato solo un evento di onde gravitazionali multi-messaggero: una fusione tra due stelle di neutroni che ha inviato sia increspature spazio-temporali che fotoni che sfrecciano attraverso il cosmo. Altri eventi previsti per emettere più di un messaggero sono le fusioni buco nero-stella di neutroni e buco nero-buco nero. “Sarei super emozionata se trovassimo fotoni provenienti da questi tipi di fusioni”, afferma Margutti. “Rubin è in una posizione unica per confermare o espandere i tipi di fusioni che producono luce”.
Punto di svolta per lo studio dei neutrini
La capacità di Rubin di rilevare sorgenti deboli sarà anche un punto di svolta per lo studio dei neutrini. Robert Stein, 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 rilevatori qui sulla Terra, gli scienziati ritengono che ci sia una vasta popolazione di sorgenti di neutrini a diverse 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 sorgenti deboli, Rubin potrebbe aumentare questa percentuale al 50%.
“La scienza dei neutrini è agli inizi, quindi il nostro elenco di possibili sorgenti 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 convinti che la forza dominante di Rubin nell’era dell’astronomia multi-messaggera sarà quella di scoprire l’inaspettato. Poiché copre vaste fasce del cielo dell’emisfero australe, non si può dire cosa rivelerà la visione senza eguali di Rubin. “Il miglior uso di Rubin è come macchina di scoperta“, afferma Margutti. Le fa eco Stein, che afferma: “spero di scoprire quali nuovi tipi di fonti dovremmo indagare in seguito. Se Rubin potesse darci quella chiarezza, e credo che lo farà, sarebbe fantastico”.
