SST-1M: Recent results and prospects for observation of the Galactic Center region

Al cuore stesso della nostra Via Lattea si trova una regione di intensa attività, un quartiere affollato e pieno di dense nubi di gas, dei resti frammentati di stelle esplose e massicci ammassi di giovani stelle. In questo ambiente caotico, la natura agisce come un gigantesco acceleratore di particelle, facendo scontrare la materia per creare radiazioni ad alta energia che viaggiano attraverso l'universo. Gli scienziati sono particolarmente interessati a un tipo specifico di questa radiazione chiamata raggi gamma ad altissima energia. Questi sono la forma di luce più energetica conosciuta, che trasporta milioni di volte più energia dei raggi X utilizzati negli ospedali. Quando questi raggi gamma colpiscono l'atmosfera terrestre, non raggiungono direttamente il suolo; creano invece un breve e tenue lampo di luce blu noto come radiazione Cherenkov. Per studiare i motori cosmici che producono questi raggi, gli astronomi costruiscono speciali telescopi a terra che fungono da enormi specchi, catturando questi fugaci lampi di luce per ricostruire l'origine e la natura delle sorgenti situate molto in alto.

Un team di ricercatori sta lavorando con un nuovo tipo di telescopio progettato specificamente per catturare questi lampi ad alta energia. Questi strumenti, noti come Single-Mirror Small-Size Telescopes (telescopi a specchio singolo di piccole dimensioni), operano attualmente nella Repubblica Ceca. Hanno già dimostrato il loro valore osservando celebri oggetti cosmici come la Nebulosa del Granchio e lontane galassie attive, ma la loro posizione nell'emisfero settentrionale limita ciò che possono vedere. Il bersaglio più importante per questo tipo di scienza, il centro della nostra galassia, si trova troppo in basso nel cielo meridionale per essere osservato chiaramente dal nord. Il team sta ora pianificando di spostare i propri telescopi in un nuovo sito in Argentina, dove il Centro Galattico è visibile per periodi molto più lunghi. Simulando ciò che i loro telescopi vedrebbero da questa nuova posizione, i ricercatori hanno dimostrato che saranno in grado di mappare le complesse strutture del nucleo galattico e testare se le particelle lì presenti vengano accelerate a energie molto superiori a quelle che qualsiasi macchina sulla Terra potrebbe mai raggiungere.

Il lavoro del team è iniziato dimostrando che la loro configurazione attuale in Repubblica Ceca funziona esattamente come previsto. Dal 2023, hanno fatto operare due di questi telescopi insieme, separati da una distanza di circa 155 metri, permettendo loro di osservare il cielo in stereo, proprio come gli occhi umani forniscono la percezione della profondità. Hanno trascorso centinaia di ore osservando la Nebulosa del Granchio, un noto residuo di una supernova, e hanno misurato con successo il suo spettro energetico fino a 100 TeV, un livello di energia difficile da raggiungere per altri strumenti. Questa osservazione ha confermato che i loro telescopi possono rilevare deboli sorgenti estese di raggi gamma con alta precisione. Hanno anche studiato altre regioni del cielo, come la costellazione del Cigno, dove sono stati in grado di separare due distinte sorgenti di radiazione che precedentemente apparivano confuse tra loro. Questa capacità di distinguere dettagli fini nel cielo è cruciale perché il centro della nostra galassia è un luogo affollato dove molte diverse sorgenti si sovrappongono, rendendo difficile capire quale oggetto stia producendo quale segnale.

Con questa prestazione verificata, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione al futuro. Hanno utilizzato modelli informatici, validati dai loro dati reali, per simulare cosa accadrebbe se spostassero i loro telescopi a Malargüe, in Argentina. Questo nuovo sito si trova a un'altitudine maggiore e offre una vista chiara del Centro Galattico per centinaia di ore ogni anno. Nella loro simulazione, hanno immaginato di osservare la regione centrale della galassia per 250 ore, concentrandosi sull'area nota come "Ridge" (il Rilievo), una fascia di emissione gamma diffusa che si estende attraverso il nucleo galattico. La simulazione ha mostrato che i telescopi sarebbero in grado di rilevare chiaramente le sorgenti puntiformi luminose nella regione, come il buco nero supermassiccio al centro, così come il debole bagliore diffuso e diffuso del Ridge stesso. Fondamentalmente, la simulazione ha dimostrato che gli strumenti potrebbero separare la luce del buco nero e di altri oggetti compatti dal fondo ampio e diffuso, un compito che si è rivelato difficile per altri osservatori a causa della confusione dei segnali sovrapposti.

La parte più significativa di questa simulazione è stata il test di un mistero specifico: quanto in alto in energia arrivano le particelle nel Centro Galattico? Alcune teorie suggeriscono che la regione contenga dei "PeVatron", acceleratori naturali capaci di potenziare le particelle fino a un milione di miliardi di elettronvolt, o energie PeV. Se ciò è vero, lo spettro dei raggi gamma dovrebbe mostrare un calo netto, o cutoff, a un'energia specifica molto elevata. I ricercatori hanno simulato i dati che avrebbero raccolto e li hanno analizzati per vedere se fossero in grado di individuare questo cutoff. I loro risultati indicano che i telescopi sarebbero in grado di rilevare un cutoff con una significatività statistica compresa tra due e quattro deviazioni standard, a seconda dell'energia esatta in cui avviene il calo. Ciò significa che, sebbene i dati potrebbero non costituire una prova definitiva e immediata, fornirebbero prove solide per confermare o escludere l'esistenza di questi acceleratori estremi. Lo studio suggerisce che la combinazione di un ampio campo visivo e un'alta sensibilità renda questi telescopi unici nel risolvere questo enigma.

In definitiva, questo lavoro evidenzia il potenziale dello spostamento di questi strumenti nell'emisfero meridionale per svelare i segreti del nucleo della nostra galassia. I ricercatori hanno dimostrato che i loro telescopi sono in grado di fornire dati di alta qualità anche in condizioni non ideali, e le loro simulazioni confermano che un trasferimento in Argentina consentirebbe di mappare la morfologia e gli spettri energetici del Centro Galattico con una chiarezza senza precedenti. Distinguendo tra diversi tipi di sorgenti di radiazione e cercando il cutoff spettrale che segnala la presenza di PeVatron, la collaborazione SST-1M mira a rispondere a domande fondamentali su come l'universo accelera le particelle alle loro energie massime possibili. La strada da seguire prevede il trasferimento dell'hardware in un sito dove il Centro Galattico sia una caratteristica dominante del cielo notturno, trasformando una regione che era precedentemente difficile da studiare in un laboratorio primario per l'astrofisica delle alte energie.