La curiosità del mese a cura di Tomaso Belloni

Osservare i raggi X su diversi piani

Il 9 dicembre del 2021 è stato lanciato dal Kennedy Space Center un satellite per osservazioni astronomiche abbastanza particolare. Si chiama IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer, cioè Esploratore a immagini di polarimetria X) ed è il risultato di una collaborazione fra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), in collaborazione con INAF e INFN (figura 1). Dal nome si capisce che produrrà immagini in raggi X, ma cos’è la polarizzazione (figura 2)?

La radiazione luminosa è costituita da onde (che sono anche particelle, ma qui ci interessa la loro natura ondulatoria). In un’onda elettromagnetica il campo elettrico oscilla in un piano perpendicolare alla direzione del moto dell’onda. Se questo piano è verticale si parla di polarizzazione verticale, se è orizzontale di polarizzazione orizzontale. Un altro caso è quello in cui il campo elettrico ruota intorno alla direzione di moto dell’onda: in questo caso di parla di polarizzazione circolare. Nella luce ‘normale‘ ogni/onda fotone ha un piano di polarizzazione casuale e diverso, per cui la luce nel suo insieme non ha un piano preferito di oscillazione.

In alcuni casi però un piano preferito c’è. Ad esempio se la luce viene riflessa da una superficie, acquisterà un grado di polarizzazione nel piano di riflessione. Allo stesso modo la luce solare diffusa dall’atmosfera acquista un grado di polarizzazione in direzione perpendicolare alla direzione del sole. E’ per questo che funzionano le lenti polarizzate degli occhiali da sole: sono fatte in modo da lasciar passare solo la radiazione polarizzata in un piano verticale. Quindi tutta la radiazione riflessa (da una pozzanghera, da una vetrina) e quella diffusa (dall’atmosfera) risulteranno attenuate dato che la parte di esse che è polarizzata orizzontalmente non viene trasmessa dalle lenti. Gli occhiali per il film 3D funzionano allo stesso modo.

Si tratta di un fenomeno ben conosciuto ed osservato in astronomia, ma difficile da rivelare in raggi X. Le uniche misure in raggi X di bassa energia sono state ottenute con un satellite della NASA lanciato nel 1975, chiamato OSO-8, che aveva a bordo uno strumento dedicato. Da allora non sono stati mandati in orbita strumenti adeguati (per osservare i raggi X di bassa energia l’unica possibilità è uscire dall’atmosfera).

IXPE (figura 3 e 4), come dice il suo nome, è una missione dedicata e permetterà di aprire una nuova finestra osservativa sui fenomeni astronomici altamente energetici. A bordo ci sono tre telescopi per raggi-X con dei rivelatori che non solo possono misurare posizione, energia e tempo di arrivo dei fotoni X, ma anche il loro piano di polarizzazione.

Processi di emissione diversi da regioni diverse da oggetti come dischi di accrescimento intorno a buchi neri e stelle di neutroni, getti relativistici, resti di supernova, stelle di neutroni pulsanti portano a diversi gradi di polarizzazione e poterli misurare ci darà una nuova dimensione per comprenderne la fisica.

Il 14 febbraio 2022 è stata resa pubblica la prima immagine di IXPE (figura 5 e 6): si tratta di un resto di supernova chiamato Cassiopea A, il risultato di un’esplosione avvenuta circa 300 anni fa, anche se non si sa esattamente quando. E’ un oggetto piuttosto grande nel cielo, con un diametro pari a un sesto di quello della luna piena, e piuttosto brillante in raggi X: perfetto come test per uno strumento che produce immagini. Per ora solo un’immagine ‘tradizionale‘. Per la polarizzazione dobbiamo aspettare che lo strumento sia perfettamente calibrato, dato che si tratta di misure molto complesse.

Presto però IXPE comincerà ad osservare con continuità e i dati di polarizzazione saranno disponibili per più sorgenti: i risultati saranno molto interessanti e l’Italia con ASI, INAF e INFN è in prima fila.

Qualche link:
https://www.nasa.gov/mission_pages/ixpe/news/nasa-s-ixpe-sends-first-science-image.html
https://www.asi.it/esplorazione/alte-energie/2514-2/
https://it.wikipedia.org/wiki/Imaging_X-ray_Polarimetry_Explorer