XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) è un nuovo satellite astronomico a raggi X che osserverà stelle e galassie con una nuova generazione di tecnologie di spettroscopia e di imaging, per trovare risposte  ai misteri riguardanti la formazione dell’Universo.

Il satellite è stato sviluppato nell’ambito di una collaborazione internazionale di ISAS/JAXA, NASA/GSFC ed ESA, insieme a Università e istituti di ricerca in tutto il mondo. Lo sviluppo include non solo satelliti e strumenti, ma anche software di analisi dei dati. Il lancio, previsto per il 27 agosto, avverrà con un lanciatore HII dal Giappone. Ecco tutto quello che vi serve sapere sui suoi strumenti, la ricerca scientifica che eseguirà, e la sua storia di progettazione.

A bordo di XRISM ci saranno un imager a raggi X ad ampio campo e uno spettrometro a raggi X criogenico ad alta risoluzione. Con questi due strumenti complementari, il telescopio misurerà con precisione le condizioni del plasma (gas caldo ionizzato) su target selezionati in tutto l’Universo.

XRISM è il successore del satellite Hitomi (ASTRO-H), lanciato il 16 febbraio 2016, le cui operazioni sono state interrotte il 28 aprile dello stesso anno a causa di un guasto del sistema di controllo dell’assetto. Originariamente, XRISM era stato chiamato XARM, X-ray Astronomy Recovery Mission. I suoi due strumenti scientifici si basano sugli strumenti della missione Hitomi. Tra essi, lo strumento spettrometrico Resolve ha la migliore risoluzione di qualsiasi strumento operativo simile per rilevare i raggi X.

L’ultimo satellite a raggi X giapponese, Suzaku, è andato in pensione nel 2015. Il lancio dell’osservatorio a raggi X dell’ESA di prossima generazione, Athena, è previsto invece per la seconda metà degli anni ’30. XRISM, quindi, costituirà il ponte tra la missione XMM-Newton dell’ESA (lanciata nel 1999) e Athena.

Di seguito, una timeline che ripercorre le missioni giapponesi per lo studio del cosmo ai raggi X, prima di XRISM.

La missione

XRISM sarà lanciato con un razzo H-IIA F47 dal Centro Spaziale di Tanegashima in Giappone, alle 2:26 italiane del 28 agosto (9:26 in Giappone). Sarà posizionato in un’orbita terrestre bassa ad un’altezza media di 550 km dalla superficie, con un’inclinazione di 31°.

La missione nominale prevede 3 anni di operatività, fino all’esaurimento dei serbatoi di elio, il quale è utilizzato per il raffreddamento dello strumento Resolve alla sua temperatura operativa di -273.10 °C. Sono comunque previste estensioni della missione, grazie all’utilizzo dei raffreddatori meccanici a bordo.

Nei primi tre mesi dopo il lancio le operazioni saranno di checkout e di calibrazione iniziale. Successivamente, tra 3 e 9 mesi dopo il lancio si terrà la fase Performance & Verification, durante la quale si testeranno le capacità del telescopio. Dai 9 mesi dal lancio inizierà la missione operativa di XRISM.

Il telescopio

Per osservare nei raggi X è necessario focalizzare i fotoni in arrivo da una sorgente lontana fino a un punto focale, proprio come con in un telescopio ottico. Tuttavia, è impossibile focalizzare i raggi X con un normale specchio convesso di vetro, per via della loro lunghezza d’onda troppo corta e dell’elevato potere di penetrazione.

I telescopi a raggi X sfruttano quindi un fenomeno chiamato riflessione interna totale, che avviene quando i fotoni di raggi X colpiscono lo specchio, una superficie molto liscia, realizzato con un materiale ad alto indice di riflessione, con un angolo di incidenza radente, poco profondo, venendo quindi totalmente riflessi. Lo specchio dovrà essere costituito da sottili gusci allineati concentricamente, con un rivestimento dorato sulla superficie interna. La superficie è lucida ed è così piatta che la rugosità è inferiore a un milionesimo di millimetro.

XRISM ha due specchi identici, gli X-ray Mirror Assemblies (XMA), costituiti da 4 quadranti con 203 lamine specchianti (segmenti di fogli di specchio; sono 1624 segmenti totali in ciascun XMA). Ciascuno dei gruppi specchio di XRISM concentra i raggi X su uno strumento scientifico a 5.6 m di distanza.

Lo spettrometro calorimetrico Resolve

Resolve, il primo dei due strumenti scientifici a bordo di XRISM, è uno spettrometro calorimetrico a raggi X. Funziona esattamente come un microcalorimetro: i fotoni a raggi X che colpiscono il rilevatore trasmettono energia, che lo riscalda. L’aumento della temperatura modifica le proprietà conduttive del rilevatore. Analizzando questi cambiamenti è possibile calcolare l’energia dei fotoni dei raggi X assorbiti.

Resolve fornisce una risoluzione energetica non dispersiva di 5-7 elettronvolt nella banda passante 0.3-12 kiloelettronvolt, con un campo visivo di circa 3 arcmin. Utilizza diversi filtri per osservare varie lunghezze d’onda, o bloccare i raggi X quando una stella o un buco nero emette così tanta radiazione da accecare il rilevatore.

La ruota portafiltri: il contributo europeo

L’Università di Ginevra in Svizzera e SRON nei Paesi Bassi hanno sviluppato un meccanismo di ruota portafiltri per Resolve. Per cambiare i filtri, questa ruota ruota contenente tutti i filtri ruota finché il filtro giusto non si trova davanti alla fotocamera.

Ciascun filtro può essere posizionato su Resolve e ha un obiettivo diverso. È presente un filtro grigio molibdeno per ridurre la luminosità complessiva di una sorgente. Quello fatto di berillio filtra i raggi X di energia indesiderata. Un altro filtro è realizzato in poliimmide-alluminio, ed evita la contaminazione ambientale.

La ruota portafiltri dispone anche di spazio per i filtri per calibrare lo strumento Resolve. Ciò include un filtro radioattivo 55Fe e sorgenti di raggi X modulati (MXS), per calibrare le scale energetiche dello strumento.

L’imager Xtend

Xtend, il secondo strumento, è invece un imager a raggi X, costituito da una serie di quattro rilevatori CCD. Lo strumento estende il campo visivo dell’osservatorio a uno dei più grandi telescopi a raggi X mai volati nello spazio, consentendo a XRISM di monitorare le stelle variabili e di mappare le proprietà delle sorgenti di raggi X sullo sfondo dei target. Lavora nell’intervallo di energia di 0.4-13 kiloelettronvolt.

Similmente agli imager ottici, una telecamera CCD a raggi X raccoglie i raggi X dalle sorgenti e produce un’immagine corrispondente. Il principio alla base non è molto diverso da quello di una comune fotocamera digitale: diversi piccoli semiconduttori sono disposti in serie, convertendo i raggi X in elettroni e quindi in segnali elettrici che producono un’immagine finale. Per la luce ottica, viene emesso un elettrone per ogni fotone.

Tuttavia, nel caso dei raggi X e a causa della natura dei fotoni dei raggi X ad alta energia, vengono emessi più elettroni per ciascun fotone dei raggi X. Di conseguenza, è possibile misurare le energie dei singoli fotoni dei raggi X misurando il numero di elettroni emessi, che è proporzionale all’energia del fotone. Usando questa proprietà, siamo in grado di misurare il “colore” di ciascun fotone di raggi X senza utilizzare filtri colorati, comunemente usati nell’imaging ottico.

Gli obbiettivi scientifici

L’evoluzione chimica dell’Universo

Quando osserviamo l’Universo alla luce dei raggi X, possiamo scoprire gli elementi chimici di cui è composto. Durante il Big Bang si sono formati solo i quattro elementi più leggeri (idrogeno, elio, litio e berillio). Tutti gli altri elementi si formarono più tardi, nelle stelle, grazie alle reazioni di fusione nucleare che trasformano gli elementi leggeri in quelli più pesanti come carbonio, ossigeno e ferro.

Gli elementi più pesanti del ferro si formano solo durante eventi molto energetici, ad esempio quando le stelle massicce muoiono come supernove. Dai residui lasciati dopo la morte delle stelle nascono nuove stelle, inquinate dagli elementi appena creati. XRISM studierà l’arricchimento dell’Universo con questi elementi e mapperà l’evoluzione chimica dell’Universo. E lo farà determinando il numero di elementi pesanti presenti nel gas tra le galassie negli ammassi.

Gli ammassi di galassie

XRISM esaminerà i più grandi elementi costitutivi dell’Universo: gli ammassi di galassie. Sono le più grandi strutture cosmiche ancora tenute insieme dalla gravità. La maggior parte del gas negli ammassi ha una temperatura di decine di milioni di gradi ed emette luce a raggi X. XRISM utilizzerà questa luce per determinare le velocità e le energie nel gas.

Le osservazioni a raggi X prima di XRISM potevano solo misurare la temperatura del gas, quindi non siamo riusciti a comprendere appieno come la pressione termica totale si bilanci con l’attrazione gravitazionale in questi colossi cosmici. Il nuovo spettrometro per imaging Resolve sarà invece in grado di misurare la velocità del gas per rivelarne la pressione dinamica. Misurando sia la pressione termica che quella dinamica dei plasmi, XRISM studierà tutti gli aspetti di questo bilanciamento, rivelando i segreti dietro la formazione degli ammassi di galassie.

Gli estremi dello spaziotempo

Ci sono posti in cui nessun veicolo spaziale potrà mai portarci, e che nessuna sonda o satellite riuscirà mai a raggiungere. Uno è l’Universo lontano, che scappa da noi a causa dell’espansione cosmica, così veloce che non possiamo mai raggiungerlo. Un altro è l’interno di un buco nero.

I buchi neri distorcono lo spaziotempo circostante a causa della loro enorme forza di gravità, ed espandono le lunghezze d’onda dei fotoni di raggi X dal gas riscaldato attorno a loro. Lo strumento Xtend a bordo di XRISM misura con precisione la lunghezza d’onda, e rivelerà queste distorsioni dello spaziotempo e il movimento del materiale che circonda un buco nero. Queste informazioni ci consentono di studiare lo spaziotempo attorno ai buchi neri, nonché l’afflusso e il deflusso di materia ed energia dall’ambiente circostante il buco nero.

Fonti:

• XRISM – JAXA: https://xrism.isas.jaxa.jp/en/
• XRISM – NASA: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/xrism/
• XRISM – ESA: https://www.cosmos.esa.int/web/xrism
• Fact Sheet di XRISM: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/xrism/about/XRISM_Factssheet_04.pdf