Il satellite dell'ESA per osservazioni X - XMM Newton


    Analizziamo il potente telescopio a raggi x dell'ESA XMM-Newton.

    Introduzione: cenni storici

    Prima della fine degli anni '70, solo quattro galassie erano conosciute per la loro emissione nella banda X dello spettro elettromagnetico: la Via Lattea, M31 - Andromeda - e le Nubi di Magellano. I primi lavori dell'ESA nel campo delle osservazioni X avevano portato al lancio del satellite Exosat nel Maggio del 1983.

    La missione durò fino all'Aprile del 1986 ed ebbe come risultato 1800 osservazioni X.

    Già  un anno prima, fu proposta una missione per osservazioni X denominata "X-ray Multi-Mirror" (XMM) e nel 1984 un gruppo di scienziati europei sviluppò un programma a lungo termine chiamato "Horizon 2000".

    Alla base di questa idea vi era il concetto di sviluppare quattro missioni denominate "Cornerstones" ossia missioni spaziali a lungo termine per le quali sarebbero stati raggiunti importanti risultati scientifici. La seconda di queste missioni venne chiamata "High Throughput X-ray Spectroscopy" nota anche come XMM.

    I lavori alla missione XMM cominciarono seriamente nel 1985 con la formazione di diversi gruppi di lavoro e la configurazione finale del satellite si ebbe due anni dopo. L'ESA approvò la missione nel Giugno 1998 e l'anno seguente vennero selezionati gli strumenti e l'hardware per completare la missione spaziale. Il Centro Scientifico di Controllo fu scelto nel 1995 per eseguire l'analisi dei dati di XMM.

    Il satellite venne lanciato dalla base di Kourou nella Guiana Francese il 10 Dicembre 1999. Grazie all'esperienza acquisita con il satellite Exosat, che era stato posizionato su un orbita eccentrica, ossia allungata, per eseguire lunghi periodi di osservazioni, XMM venne posizionato dal razzo Ariane 4 su un orbita eccentrica con periodo di rivoluzione attorno alla Terra di 48 ore, con una inclinazione di 40°, apogeo a 114.000 Km e perigeo a 7000 Km.

    [inline: 1=Immagine - 1 - Rappresentazione artistica del satellite XMM-Newton] Immagine - 1 - Rappresentazione artistica del satellite XMM-Newton ©D.Ducros ESA

    Oggi, l'osservatorio spaziale viene monitorato dall'European Space Observations Center (ESOC) a Darmstadt in Germania che utilizza un insieme di stazioni a Perth in Australia, a Kourou nella Guiana Francese e a Santiago in Cile.

    La missione scientifica invece viene seguita dall'XMM-Newton Science Operations Center situato a VILSPA a Villafranca, Spagna, che ha il compito di gestire le richieste di osservazione e raccogliere i dati. L'Università  di Leicester, in Inghilterra, costituisce il centro di archivio e di correlazione dei dati - XMM-Newton Survey Science Center (SSC) - che vengono confrontati con altri dati X conservati in diverse parti del mondo.

    La missione: cosa c'è di speciale ?

    La missione XMM-Newton prende il suo nome in onore di Sir Isaac Newton anche se inizialmente era stata denominata High Throughput X-ray Spectroscopy Mission per la sua grande capacità  di rivelare i raggi X e perchè di fatto si tratta di una missione spaziale di spettroscopia.

    La nuova denominazione venne annunciata il 9 Febbraio 2000 dall'ex Direttore Scientifico dell'ESA Prof. Roger Bonnet il quale spiegò come il nome di Newton fosse stato scelto perchè ad Egli il merito di aver inventato per così dire la spettroscopia e di essere legato alla teoria della gravità .

    XMM-Newton è costituito da tre moderni telescopi che permettono di rivelare milioni di sorgenti X, molto di più rispetto alle precedenti missioni spaziali X. Ciò che rende gli astronomi soddisfatti è che l'elevata eccentricità  dell'orbita, che gli permette di orbitare attorno alla Terra ad una distanza di circa 1/3 la distanza Terra-Luna, garantisce lunghe ed ininterrotte osservazioni.

    Il sistema di raccolta dei raggi X è composto da quattro specchi e da un Optical Monitor (OM) che permette l'osservazione simultanea del campo di vista dei telescopi nelle bande UV e visibile dello spettro elettromagnetico. Il satellite è lungo 10 m e quando i pannelli solari sono aperti può raggiungere i 16 m. Il peso a Terra è di 3,8 tonnelate.

    Il potere di puntamento è di circa 1 secondo d'arco che sta ad indicare la capacità  di distinguere due sorgenti X vicinissime poste a grande distanza nello spazio. La costruzione del satellite ha coinvolto 46 società  di 14 paesi europei ed una negli Stati Uniti.

    La società  italiana Media Lario, Como, ha sviluppato il sistema degli specchi. La missione nominale è stata programmata per due anni ma l'osservatorio X potrà  operare ancora per 10 anni.

    Gli strumenti a bordo di XMM-Newton

    Il satellite contiene a bordo tre strumenti scientifici primari:

    1. Tre camere europee denominate European Photon Imaging Cameras (EPIC) il cui PI, ossia l'investigatore principale, è il Prof. Martin Turner del Gruppo di Astronomia X dell'Università  di Leicester in Inghilterra.
    2. Due spettrometri a riflessione denominati Reflection Grating Spectrometers (RGS) il cui PI è Jelle Kaastra della Divisione di Alta-Energia di SRON a Utrecht, Olanda, con co-PI Steven Kahn della Columbia University, New York.
    3. L'Optical Monitor (OM) , allineato con il telescopio principale X allo scopo di dare a XMM-Newton una visione a multifrequenza, il cui PI è il Prof. Keith Mason.

    La scienza di XMM-Newton: a caccia di oggetti compatti

    XMM-Newton è il più potente telescopio X mai costruito che sta aiutando davvero gli astronomi a risolvere alcuni dei misteri dell'astrofisica moderna, dallo studio degli enigmatici buchi-neri alla formazione delle galassie più remote. Molti oggetti celesti emettono raggi X attraverso fenomeni violenti ma l'atmosfera terrestre blocca i raggi X, messaggeri di ciò che è avvenuto nel lontano passato, e limita perciò le osservazioni da Terra.

    Solo posizionando dei rivelatori di raggi X nello spazio tali fenomeni possono essere osservati e studiati in dettaglio e la migliore sensibilità  dei rivelatori di XMM-Newton permette di raggiungere questo obiettivo senza precedenti.

    L'osservatorio X è stato infatti in grado di misurare per la prima volta l'influenza del campo gravitazionale di una stella di neutroni sulla radiazione che essa emette con maggiore precisione rispetto alle passate missioni spaziali.

    Le stelle di neutroni sono tra i corpi celesti più densi e compatti dell'Universo - un cubetto di zucchero di materia di cui è composta una stella di neutroni peserebbe sulla Terra alcune migliaia di milioni di tonnellate.

    Le stelle di neutroni sono i resti di stelle massive che sono state soggette, nella fase finale della loro evoluzione, ad un evento esplosivo che ha dato origine ad una stella supernova. In questi fenomeni esplosivi e violenti, la materia stellare viene espulsa nello spazio e finisce con il formare i mattoni fondamentali della materia di cui è composto l'Universo, includendo anche noi stessi.

    Quello che perciò rimane dopo l'esplosione della stella collassa sotto l'influenza della propria gravità .

    Gli scienziati ritengono che in una stella di neutroni, esistono le condizioni di densità  e temperature che erano simili a quelle che esistevano una frazione di secondo dopo il Big-Bang quando cioè dal "plasma primordiale" si formarono gli elementi fondamentali della materia.

    Quando la materia si trova in uno stato così compresso ad alta densità , come lo è quello in una stella di neutroni, essa va soggetta a dei cambiamenti: protoni, elettroni e neutroni - che sono i costituenti dell'atomo - e i loro costituenti fondamentali, cioè i quark, fondono per formare un plasma ad elevata densità .

    Per conoscere la natura della materia nella condizione di plasma ad elevata densità  e temperatura, occorre conoscere con precisione alcuni importanti parametri. Se si conosce la massa ed il raggio di una stella, si può determinare la sua densità .

    Grazie alle misure eseguite dal satellite XMM-Newton è stato possibile ottenere per la prima volta con grande precisione il rapporto massa-raggio di una stella di neutroni e ricavare perciò informazioni importanti sulla sua natura e composizione. Anche se non sono definitive, queste informazioni ci dicono che le stelle di neutroni sono formate da materia normale e non da materia strana o esotica.

    Questa misura costituisce un passo in avanti nel campo dell'astrofisica delle stelle di neutroni ed è considerata un risultato fondamentale. Il metodo consiste nel determinare quanto compatta è una stella di neutroni da osservazioni indirette. L'attrazione gravitazionale della stella di neutroni è immensa - migliaia di milioni di volte quella esercitata dalla Terra - e questa fa perdere energia alla radiazione emessa dalla stella.

    Questa perdita di energia è chiamata redshift gravitazionale da cui è stato possibile ricavare, attraverso le misure eseguite da XMM-Newton, l'intensità  del campo gravitazionale e la "compattezza" della stella di neutroni.

    Sitografia

    Esa Portal www.esa.int



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