Un nuovo, importante traguardo per l’astronomia mondiale e per la ricerca scientifica italiana. All’Osservatorio del Roque de los Muchachos, sull’isola di La Palma, nell’arcipelago delle Canarie, è stato inaugurato il sottosistema dei quattro Large-Sized Telescopes (LST) del Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), una delle più ambiziose infrastrutture scientifiche internazionali dedicate allo studio dell’Universo ad altissima energia. Alla cerimonia hanno partecipato 250 scienziate, scienziati e rappresentanti delle principali istituzioni di ricerca di tutto il mondo, riuniti per celebrare il completamento di una struttura destinata ad ampliare le capacità di osservazione dei fenomeni cosmici più estremi. L’inaugurazione rappresenta una tappa fondamentale verso la piena operatività scientifica del CTAO, il futuro osservatorio per l’astronomia a raggi gamma più grande e potente al mondo. Un’infrastruttura che consentirà di approfondire alcune delle questioni ancora aperte dell’astrofisica e della fisica delle particelle, dalla natura della materia oscura all’origine dei raggi cosmici, fino ai processi fisici che si verificano nei pressi dei buchi neri supermassicci e delle stelle di neutroni. In questo progetto internazionale l’Italia ricopre un ruolo scientifico, tecnologico e organizzativo di primo piano grazie al contributo dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), impegnati nello sviluppo degli strumenti e nella realizzazione di componenti fondamentali dell’Osservatorio.
Specchi da 23 metri e fotocamere ultraveloci: come funzionano i nuovi telescopi LST
I quattro telescopi inaugurati alle Canarie costituiscono il cuore del sistema di osservazione a bassa energia del CTAO-Nord. Ciascuno è dotato di un imponente specchio di 23 metri di diametro e di fotocamere tecnologicamente avanzate, capaci di acquisire segnali luminosi estremamente rapidi. A differenza dei telescopi tradizionali, progettati per osservare direttamente la luce proveniente dagli oggetti celesti, gli LST sono strumenti specializzati nella rilevazione dei debolissimi lampi di luce Cherenkov prodotti quando i raggi gamma di altissima energia interagiscono con l’atmosfera terrestre. Questi fenomeni generano segnali luminosi di durata estremamente breve, che possono essere rilevati e analizzati grazie alla combinazione tra le grandi superfici riflettenti degli specchi e i sistemi elettronici ad alta velocità delle fotocamere. I Large-Sized Telescopes rappresentano gli strumenti più sensibili al mondo per l’osservazione dei raggi gamma nell’intervallo energetico compreso tra circa 20 gigaelettronvolt (GeV) e diversi teraelettronvolt (TeV). La loro particolare sensibilità, soprattutto alle energie più basse, costituisce un vantaggio fondamentale per l’osservazione di sorgenti cosmiche molto lontane. I raggi gamma ad altissima energia, infatti, vengono progressivamente assorbiti durante il loro viaggio attraverso l’Universo. Riuscire a rilevarli anche a energie inferiori permette quindi di studiare fenomeni che si verificano a distanze cosmologiche e di ottenere informazioni su epoche particolarmente remote della storia cosmica. La capacità di raccogliere segnali estremamente deboli consentirà inoltre di analizzare con maggiore accuratezza statistica le variazioni rapide di luminosità delle sorgenti gamma, migliorando lo studio degli eventi astronomici transienti e dei fenomeni in continua evoluzione.
Dal primo telescopio LST-1 alla rete di quattro strumenti: i risultati già ottenuti
Il completamento del sistema rappresenta il risultato di un percorso scientifico e tecnologico avviato molti anni prima dell’inaugurazione. Il primo telescopio, denominato LST-1, aveva già iniziato a produrre risultati scientifici di rilievo a partire dal 2020, durante la fase di collaudo, quando l’intero sottosistema non era ancora stato realizzato. Nonostante si trattasse di un prototipo, LST-1 ha dimostrato fin dalle prime osservazioni le potenzialità della nuova tecnologia. Tra le attività scientifiche svolte figurano le osservazioni delle pulsar, gli studi sui nuclei galattici attivi situati a distanze cosmologiche e il monitoraggio rapido di fenomeni transienti, tra cui le nove e i lampi di raggi gamma, conosciuti anche con la sigla GRB. Con il completamento dei tre nuovi telescopi, LST-2, LST-3 e LST-4, il primo strumento è entrato a far parte di una rete coordinata di quattro osservatori capaci di lavorare simultaneamente.
L’utilizzo congiunto dei telescopi permetterà di osservare il medesimo sciame atmosferico generato dai raggi gamma da direzioni differenti, migliorando sensibilmente la qualità delle informazioni scientifiche raccolte. Rispetto alle osservazioni effettuate con un singolo telescopio, il funzionamento integrato garantirà una sensibilità nettamente superiore, una migliore risoluzione angolare e una ricostruzione più precisa dell’energia delle particelle osservate. Si tratta di caratteristiche essenziali per identificare con maggiore precisione la provenienza dei segnali cosmici e per approfondire lo studio dei processi fisici che li hanno generati.
Buchi neri, stelle di neutroni e materia oscura: gli obiettivi scientifici del CTAO
Il completamento del sottosistema LST rappresenta anche il risultato di oltre quindici anni di collaborazione scientifica internazionale. A sottolinearne il valore è Masahiro Teshima, Principal Investigator della Collaborazione LST e Portavoce del Consorzio CTAO. “Il completamento del sottosistema LST è il culmine di oltre quindici anni di collaborazione internazionale e innovazione tecnologica”, ha dichiarato Teshima. “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”. Tra gli obiettivi principali del progetto figura infatti la comprensione dei meccanismi attraverso i quali l’Universo produce e accelera particelle fino a energie elevatissime. I buchi neri supermassicci e le stelle di neutroni costituiscono alcuni degli ambienti astrofisici più interessanti per questo tipo di indagini, perché sono associati a processi fisici estremi che possono produrre emissioni di raggi gamma. Un’altra questione centrale riguarda l’origine dei raggi cosmici e il ruolo delle particelle relativistiche nei fenomeni che caratterizzano l’evoluzione dell’Universo. Il CTAO contribuirà inoltre alle ricerche sulla materia oscura, uno dei grandi interrogativi della cosmologia contemporanea, e consentirà di approfondire lo studio di possibili deviazioni rispetto alle previsioni della teoria della relatività di Einstein.
Un viaggio di 12 miliardi di anni nel passato: i telescopi per osservare l’Universo primordiale
Una delle prospettive scientifiche più significative aperte dai nuovi telescopi riguarda la possibilità di osservare sorgenti cosmiche risalenti a epoche estremamente lontane. Grazie alla sensibilità dei Large-Sized Telescopes alle energie gamma più basse, gli astronomi potranno esplorare l’Universo fino a circa 12 miliardi di anni fa, quando la sua età era inferiore a due miliardi di anni. La possibilità di studiare sorgenti tanto remote assume particolare importanza per ricostruire i fenomeni che caratterizzavano le prime fasi della storia cosmica. Gli LST permetteranno infatti di cercare e analizzare brillanti emissioni di raggi gamma di altissima energia provenienti da sorgenti caratterizzate da un elevato redshift, il parametro utilizzato in astronomia per descrivere lo spostamento verso il rosso della radiazione proveniente da oggetti cosmici lontani. Le capacità dei nuovi strumenti potrebbero estendere le osservazioni di queste emissioni fino a sorgenti con redshift pari a circa z~4, aprendo nuove opportunità di studio dell’Universo primordiale. L’osservazione dei fenomeni gamma su scale temporali e distanze così elevate permetterà di raccogliere informazioni sui processi energetici che hanno caratterizzato l’evoluzione cosmica, utilizzando segnali particolarmente difficili da individuare con gli strumenti attualmente disponibili.
L’Italia protagonista del più grande osservatorio gamma del mondo: la sede centrale a Bologna
Il contributo italiano alla realizzazione del CTAO non riguarda soltanto la costruzione dei telescopi inaugurati a La Palma, ma coinvolge l’intera infrastruttura internazionale, compresi gli strumenti destinati al sito meridionale in Cile. L’Italia ospita inoltre a Bologna, presso l’INAF, la sede centrale dell’Osservatorio internazionale, assumendo così un ruolo centrale anche nell’organizzazione del progetto. A evidenziare l’importanza di questo impegno è Lucio Angelo Antonelli, Dirigente di Ricerca all’INAF e Co-Principal Investigator della Collaborazione internazionale LST. “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 Antonelli.
La partecipazione italiana si estende quindi alla costruzione di due ulteriori telescopi LST e 37 Small-Sized Telescopes (SST), attualmente in fase di realizzazione in Italia e destinati al sito osservativo nell’emisfero meridionale. Un impegno che coinvolge competenze scientifiche, capacità progettuali e attività industriali, confermando il ruolo degli enti italiani nello sviluppo delle infrastrutture internazionali per la ricerca astrofisica. Antonelli ha sottolineato anche l’importanza delle attività ancora necessarie prima che i nuovi strumenti possano esprimere tutto il proprio potenziale. “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”.
Il contributo dell’INFN: fibra di carbonio, elettronica avanzata e tecnologie di precisione
Un ruolo determinante nella realizzazione dei nuovi telescopi è stato svolto anche dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, coinvolto nel progetto fin dalle prime fasi della progettazione. L’INFN ha contribuito allo sviluppo di numerosi elementi tecnologici fondamentali per il funzionamento degli LST, mettendo a disposizione competenze nella progettazione meccanica, nell’elettronica e nei sistemi di alta precisione. Tra i componenti realizzati figura la struttura in fibra di carbonio che sostiene l’arco della camera, un elemento essenziale dell’architettura dei telescopi. I ricercatori dell’INFN hanno inoltre partecipato alla costruzione della camera stessa e allo sviluppo di componenti meccanici ed elettronici necessari per la calibrazione del sistema di puntamento. A illustrare il lavoro svolto è Mosè Mariotti, ricercatore dell’INFN e responsabile nazionale del gruppo INFN in CTAO.
“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 Mariotti. Il coinvolgimento dell’INFN, inizialmente concentrato soprattutto sugli strumenti destinati a La Palma, si sta dunque ampliando anche al sito cileno, grazie ai finanziamenti del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) del Ministero dell’Università e della Ricerca. La collaborazione con l’INAF riguarda in particolare la realizzazione delle camere dei telescopi destinati a CTAO-Sud, confermando l’importanza dell’integrazione tra le competenze dei due principali enti italiani coinvolti nel progetto.
Sensibilità fino a dieci volte superiore: le nuove possibilità per la ricerca scientifica
Uno degli aspetti più significativi del progetto riguarda il miglioramento delle prestazioni scientifiche che sarà possibile ottenere con l’entrata in funzione dei nuovi strumenti. Secondo le prospettive illustrate dall’INFN, l’integrazione dei telescopi consentirà di raggiungere livelli di sensibilità notevolmente superiori rispetto a quelli degli strumenti attualmente disponibili. Le implicazioni non riguardano soltanto la capacità di individuare sorgenti più deboli e lontane, ma anche la possibilità di effettuare osservazioni scientifiche con tempi di acquisizione molto più brevi. “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.
Le prestazioni attese rappresentano un cambiamento importante per l’astronomia a raggi gamma, soprattutto nello studio delle sorgenti che manifestano variazioni rapide e dei fenomeni transienti. La possibilità di raccogliere informazioni scientifiche con maggiore efficienza permetterà infatti di approfondire osservazioni che richiedono elevata sensibilità e rapidità di rilevazione, sfruttando le capacità combinate dei quattro telescopi. Prima della piena operatività, gli LST saranno sottoposti a ulteriori attività di collaudo e integrazione nelle operazioni del CTAO, necessarie per completare il passaggio dalla realizzazione tecnologica all’utilizzo scientifico coordinato dell’intera infrastruttura.
CTAO, oltre 60 telescopi tra Spagna e Cile per osservare il cielo dai due emisferi
Il sistema inaugurato alle Canarie costituisce una parte del più ampio Cherenkov Telescope Array Observatory, progettato per diventare il più grande e potente osservatorio mondiale dedicato all’astronomia a raggi gamma. L’infrastruttura comprenderà oltre 60 telescopi, distribuiti tra due stazioni osservative situate rispettivamente nell’emisfero settentrionale e in quello meridionale. Il sito CTAO-Nord si trova presso l’Osservatorio del Roque de los Muchachos, a La Palma, in Spagna, mentre CTAO-Sud sarà ospitato presso l’Osservatorio dell’ESO al Paranal, nel deserto di Atacama, in Cile. La distribuzione geografica dei telescopi consentirà al progetto di sviluppare osservazioni del cielo da entrambi gli emisferi, ampliando le possibilità di studio delle sorgenti gamma. Per coprire il vastissimo intervallo energetico previsto, compreso tra 20 GeV e 300 TeV, l’Osservatorio utilizzerà tre differenti categorie di strumenti. I Large-Sized Telescopes (LST) saranno dedicati principalmente alle osservazioni alle energie più basse, mentre i Medium-Sized Telescopes (MST) e gli Small-Sized Telescopes (SST) contribuiranno alla copertura delle altre regioni dello spettro energetico.
L’integrazione tra i tre tipi di telescopi consentirà di analizzare fenomeni astrofisici su una gamma di energie particolarmente ampia, contribuendo allo studio delle particelle cosmiche relativistiche, degli ambienti estremi e di questioni fondamentali della fisica. L’Osservatorio sarà così uno strumento di riferimento per tre grandi ambiti di ricerca: la comprensione dell’origine e del ruolo delle particelle cosmiche relativistiche, l’esplorazione di ambienti come buchi neri e stelle di neutroni e l’indagine delle frontiere della fisica, con particolare attenzione alla materia oscura e alle possibili deviazioni dalla teoria della relatività di Einstein.
Una gigantesca infrastruttura Big Data: fino a centinaia di petabyte di informazioni ogni anno
Accanto alle innovazioni tecnologiche introdotte nei telescopi, il CTAO rappresenta anche un progetto di dimensioni eccezionali nel campo dell’elaborazione e della gestione dei dati scientifici. L’Osservatorio genererà infatti centinaia di petabyte di dati ogni anno, con un volume stimato di circa 12 petabyte dopo le operazioni di compressione. Questa enorme quantità di informazioni richiederà sistemi avanzati di gestione, elaborazione e distribuzione dei dati, destinati a sostenere le attività di ricerca scientifica su scala internazionale. Un elemento distintivo del progetto sarà l’adozione di un modello basato sui principi dell’Open Science, con l’obiettivo di favorire l’accessibilità dei risultati scientifici e degli strumenti necessari alla loro analisi. Il CTAO sarà il primo osservatorio di raggi gamma del suo genere a funzionare come una struttura aperta e basata su proposte di ricerca, mettendo a disposizione del pubblico i propri dati scientifici di alto livello e i prodotti software. Si tratta di una caratteristica importante per un’infrastruttura destinata a coinvolgere comunità scientifiche di numerosi Paesi, favorendo l’utilizzo delle informazioni raccolte attraverso il lavoro congiunto dei diversi strumenti osservativi.
Una collaborazione scientifica internazionale che coinvolge Europa, Asia e Americhe
La realizzazione dei Large-Sized Telescopes è stata possibile grazie al lavoro della Collaborazione LST, un consorzio internazionale formato da scienziati, ingegneri e istituzioni impegnati nella progettazione, costruzione e messa in servizio degli strumenti destinati al CTAO. La collaborazione ha sviluppato tecnologie avanzate nell’ottica, nei rivelatori, nella meccanica e nell’elettronica ad alta velocità, perseguendo l’obiettivo di raggiungere la soglia energetica più bassa mai ottenuta da osservatori gamma terrestri. Il progetto coinvolge istituzioni provenienti da Brasile, Bulgaria, Croazia, Francia, Germania, Giappone, Italia, Polonia, Repubblica Ceca, Spagna e Svizzera, attraverso una partnership internazionale che integra differenti competenze scientifiche e tecnologiche. La struttura organizzativa del CTAO è affidata al CTAO ERIC, l’Organizzazione Centrale legalmente responsabile della costruzione e della gestione dell’Osservatorio, oltre che della direzione dei suoi quattro siti. I membri del CTAO ERIC comprendono Austria, Croazia, Francia, Germania, Italia, Polonia, Repubblica Ceca, Slovenia, Spagna, Svizzera e l’Osservatorio Europeo Australe (ESO). I Paesi Bassi partecipano in qualità di Osservatore, mentre Australia, Brasile, Giappone, Sudafrica e Stati Uniti sono impegnati nel processo di adesione come Partner Strategici o Terze Parti. L’Organizzazione Centrale opera in stretta collaborazione con partner scientifici di tutto il mondo, comprese le In-Kind Contribution Collaborations, responsabili dello sviluppo di componenti hardware e software essenziali, e il Consorzio del CTAO, che riunisce ricercatori impegnati nello sfruttamento scientifico dell’Osservatorio.
Le prossime fasi del progetto e la sfida delle grandi scoperte astrofisiche
Con l’inaugurazione dei quattro telescopi a La Palma, il CTAO compie un passo decisivo nella costruzione della propria infrastruttura scientifica, ma il percorso verso la piena operatività comprende ancora importanti attività tecnologiche e organizzative. Nei prossimi anni il sottosistema LST sarà interessato dalle operazioni di collaudo e dalla progressiva integrazione nelle attività dell’Osservatorio, mentre proseguirà la realizzazione degli altri strumenti previsti nei siti settentrionale e meridionale. Il contributo di INAF e INFN, insieme alle competenze delle istituzioni scientifiche internazionali coinvolte, sarà determinante per portare a compimento il programma di sviluppo e mettere a disposizione della comunità scientifica le nuove capacità osservative. Dalla rilevazione dei lampi gamma provenienti dalle regioni più lontane dell’Universo allo studio degli acceleratori cosmici estremi, il CTAO si prepara ad affrontare interrogativi che attraversano l’astrofisica, la fisica delle particelle e la cosmologia. Il completamento dei quattro Large-Sized Telescopes rappresenta così un traguardo tecnologico e scientifico concreto: una rete di strumenti progettata per osservare fenomeni di energia elevatissima, esplorare epoche remote della storia cosmica e ampliare le possibilità di indagine sui processi fondamentali che governano l’Universo.