Astronomia X
L’astronomia X studia la radiazione fotonica dei corpi celesti con energia compresa fra circa 0.1 keV e qualche centinaio di keV. I raggi X sono fortemente assorbiti dall’atmosfera terrestre, quindi è necessario utilizzare palloni, missili o satelliti (in figura).
La prima sorgente extrasolare, Sco X-1, venne osservata il 18 giugno 1962 da Giacconi e collaboratori con un esperimento a contatori proporzionali su un razzo. Sco X-1 è il tipico esempio di corpo celeste emettitore negli X: è un sistema doppio in cui una stella compatta (di neutroni in questo caso) cattura materiale dalla stella compagna. Il materiale, accelerato dal campo gravitazionale della stella compatta, emette X. Sotto a sinistra la curva di luce originale con cui è stata scoperta l'esistenza di Sco X-1, a destra un immagina del telescopio spaziale Chandra dell’emissione X del sistema Sirius A, stella normale, e Sirius B, nana bianca.
Per focheggiare fotoni X con energie comprese fra ~ 1 keV e ~ 15 keV si può efficacemente sfruttare la riflessione totale a piccoli angoli di incidenza. Questa tecnica, basata sugli studi di Wolter, sfrutta due specchi confocali e coassiali, l’uno parabolico l’altro iperbolico: il rivelatore va posto sul piano focale del sistema di specchi. I rivelatori con migliore risoluzione energetica sono i dispositivi a scorrimento di carica (CCD): un CCD è un circuito integrato formato da una griglia di elementi semiconduttori in grado di accumulare una carica elettrica proporzionale all’intensità della radiazione elettromagnetica che li colpisce. Sotto si riporta lo schema della riflessione di raggi X a piccoli angoli di incidenza su specchi confocali.
XMM-Newton
XMM-Newton, lanciato dall’ESA nel dicembre del 1999, è un osservatorio spaziale per i raggi X. E’ equipaggiato con due distinti tipi di telescopio: tre telescopi di Wolter per raggi X, ciascuno con un rivelatore EPIC a CCD nel fuoco, ed un telescopio ottico di 30cm. Sotto è riportato lo schema del payload di XMM-Newton. I tre specchi X, di cui due equipaggiati con Reflection Grating Arrays, sono visibili in basso a sinistra. All’estremità destra c’è il piano focale con i rivelatori: due EPIC MOS (con i relativi dissipatori segnati in verde), un EPIC pn (viola) ed i rivelatori degli RGS (rosso).
Ciascuno dei tre telescopi X consiste di 58 specchi di Wolter coassiali e confocali ad incidenza radente. La lunghezza focale è di 7.5 metri ed il raggio dello specchio più grande è di 35cm I 58 specchi di ogni telescopio sono uniti frontalmente da un “ragno a sedici zampe”, come mostrato in figura, fatto di Inconel.
XMM-Newton è soggetto, essendo oltre l’atmosfera, al bombardamento dei raggi cosmici, al 90% circa costituiti da protoni. I protoni di bassa energia possono scatterare a piccoli angoli di incidenza sugli specchi dei telescopi X, e compiere percorsi analoghi ai raggi X per cui i sistemi di focheggiamento sono stati pensati. Oltre a contribuire al fondo strumentale, questi protoni sono potenzialmente dannosi per i CCD poiché, avendo bassa energia, hanno piccolo range nei semiconduttori (da uno a qualche decina di µm) e quindi tendono a rilasciarla completamente nello spessore del rivelatore. Lo spettro della radiazione cosmica di fondo è in prima approssimazione piatto fra 1 keV e 100 keV, dell’ordine di 109-1010 protoni/cm2/anno (quindi ~3*104 protoni/cm2/ora); intorno ad 1 MeV è approssimativamente 1010 protoni/cm2/ora (~3*103 protoni/cm2/ora); intorno a 10 MeV ~3*102 protoni/cm2/ora. Tenendo conto che l’area di raccolta dei fotoni di un telescopio X montato su XMM è ~1000 cm2 , il numero di protoni incidenti all’ora su ogni telescopio X è circa
~3*107 per 1 keV < EP < 100 keV
~3*106 per EP ~ 1 MeV
~3*105 per EP ~ 10 MeV Si stima che i CCD inizino a danneggiarsi per un’energia totale (su un’ampio intervallo di tempo) dei protoni incidenti (ciascuno di bassa energia) sul rivelatore pari, in prima approssimazione, a 1015 eV.
Tale effetto di "aging" è stato studiato anche tramite simulazione con Toolkit GEANT++ ottenendo le seguenti conclusioni.
I protoni della radiazione cosmica di fondo con energia intorno al MeV, se paragonati a quelli con altre basse energie, sono capaci di scatterare sugli specchi X in gran numero e con poca perdita di energia. Nel corso degli anni della missione (XMM è in orbita dal 1999) possono rilasciare un’energia complessiva nei CCD in grado di lederne le prestazioni. Ad ulteriore riprova si riporta che un rivelatore del telescopio spaziale Chandra, di generazione, struttura e prestazioni analoghe ad XMM, è stato reso completamente inutilizzabile proprio dalla radiazione di fondo. Questo accadimento distruttivo è però da ricondursi ad un evento astronomico particolare che ha portato una quantità anomala di protoni in collisione con la sonda spaziale. XMM, contrariamente a Chandra, non ha subito danni da protoni: una possibile spiegazione risiede nel fatto che XMM ha ulteriori sistemi di protezione del piano focale, che entrano in funzione ogni volta che si registra un aumento della radiazione cosmica, ad esempio a causa di un evento solare. In buona sostanza, quindi, il normale flusso di protoni della radiazione cosmica porta sì ad un lento deterioramento delle prestazioni dei rivelatori a bordo di XMM, ma percettibile solo a distanza di anni.