Cosa è IXPE

IXPE, acronimo di Imaging X-ray Polarimetry Explorer, è la missione della Nasa che ha portato in orbita, il 9 dicembre 2021, un nuovo telescopio a bordo di un razzo Falcon-9 dell’azienda americana SpaceX. Ixpe appartiene alla classe di missioni Nasa chiamate SMall EXplorer (SMEX), concepite in modo tale da testare per la prima volta in orbita un singolo nuovo concetto tecnologico, sfruttando per il resto l’enorme know-how proveniente da altre missioni. E la novità tecnologica portata da Ixpe è fondamentalmente una: la misura della polarizzazione dei raggi X provenienti da alcune tipologie di oggetti cosmici altamente energetici come i buchi neri supermassicci al centro delle galassie (miliardi di volte la massa del Sole) o le minuscole e pesantissime stelle di neutroni (la massa del Sole in appena 20 km di diametro). La polarizzazione dei raggi X che Ixpe sarà in grado di individuare e misurare, sarà dirimente su quali siano i modelli teorici più validi per spiegare la fisica di quegli oggetti estremi. Le teorie in campo sono varie ma, ad oggi, manca ancora questo tipo di dati fondamentali per poterne far emergere una in particolare.

Il ruolo dell’Istituto Nazionale di Astrofisica

L’Italia partecipa ad Ixpe come partner unico della Nasa tramite un partenariato coordinato e finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) che vede la partecipazione dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), dell’Università di Roma 3 e dell’azienda privata OHB. L’Italia ha fornito il cuore della missione scientifica e cioè i rivelatori in grado di riconoscere la polarizzazione dei raggi X degli oggetti celesti che il satellite osserverà durante i suoi 3 anni di vita nominale attesi. In tutto, il team italiano sfiora il centinaio di persone e di questi ben trenta - tra cui il responsabile scientifico Paolo Soffitta - sono personale Inaf e, in particolare, quattro rappresentano il team dell’Inaf di Cagliari: Alessio Trois, Matteo Bachetti, Maura Pilia e Andrea Possenti.

Alessio Trois, ricercatore tecnologo cagliaritano, si è formato negli istituti di astrofisica spaziale di Milano e Roma prima di trasferirsi a Cagliari lavorando ad un’altra missione scientifica totalmente italiana, il satellite per l’astrofisica delle alte energie AGILE. Il suo contributo sulla missione Ixpe consiste nello sviluppo dello strumento scientifico (l’insieme dei rivelatori per lo studio della polarizzazione dei raggi X e del computer che li gestisce) in qualità di responsabile per l'assemblaggio, integrazione, verifica e test nonché responsabile delle operazioni che coinvolgeranno la strumentazione scientifica fornita dall’Italia dal lancio in avanti.

“La consegna dello strumento di Ixpe ai colleghi americani in tempi così brevi, appena 3 anni, - spiega Trois - é stato un successo reso possibile solo grazie alla straordinaria sinergia organizzativa di tutti gli istituti coinvolti. Come Inaf di Cagliari abbiamo dato un contributo sostanziale nella definizione delle logiche del computer di bordo, nell’integrazione e test dello strumento nonché nella sua integrazione fisica sul modulo satellitare che lo porterà in orbita e della campagna di qualifica di tutto l’osservatorio, composto da tre identici ed indipendenti telescopi. Ci occupiamo anche del supporto alle operazioni in volo dello strumento che saranno gestite direttamente dall’industria americana.”

“La preparazione di una missione spaziale - aggiunge Trois - richiede un’attenzione spasmodica ai dettagli. I costi per il lancio di telescopi spaziali sono elevatissimi. Inoltre, con l’unica eccezione del telescopio Hubble, nessuna missione viene predisposta per essere visitata ed aggiustata in orbita. Perciò, ogni transistor, ogni saldatura, ogni rivetto deve avere uno scopo e funzionare alla perfezione. Tutto deve essere validato, provato e verificato prima del lancio in modo da essere certi che il satellite potrà sopravvivere alle estreme condizioni a cui sarà sottoposto dal lancio fino alla sua operatività in orbita intorno alla Terra, quando sarà esposto a raggi gamma ed escursioni termiche estreme.”

Gli strumenti vanno dunque testati e calibrati con cura certosina, e questo richiede mesi di lavoro (per Ixpe circa 12) in ambienti iperprotetti, le cosiddette “camere bianche”. L’analisi di tutti questi delicati preparativi viene effettuata con del software dedicato che viene scritto appositamente e che va a sua volta testato a fondo.

E la scrittura del software è stata (e sarà) fondamentale non solo per validare la parte tecnica dell’assemblaggio degli strumenti ma anche per valutare quali osservazioni potranno massimizzare l’impatto della missione. Per farlo, la ricercatrice INAF Maura Pilia - nativa di Villasalto e formatasi tra Cagliari, Bologna, Milano e in Olanda - ha lavorato a lungo nella programmazione e simulazione di scenari e modelli matematici da applicare ad alcuni degli oggetti celesti prediletti da Ixpe: le millisecond pulsar. Queste stelle di neutroni ruotano (e conseguentemente “pulsano”) a velocità pazzesche: fino a più di 700 rotazioni al secondo, per questo vengono considerate gli orologi cosmici per eccellenza. I segnali a raggi X polarizzati che Ixpe sarà in grado di osservare andranno ad integrare le osservazioni effettuate in lunghezze d’onda diverse dai raggi X: dalle onde radio, più deboli, ai raggi gamma, ancora più energetici, lunghezze d’onda ben conosciute da Maura Pilia grazie ad anni di osservazioni con vari tipi di telescopi. “Queste simulazioni - precisa Pilia - non solo sono fondamentali per capire quali sorgenti siano ottimali per le osservazioni con Ixpe e quindi stabilire le priorità osservative, ma ci permettono anche di arrivare preparati alle osservazioni vere e proprie, avendo già approntato gli strumenti per l’analisi dati e i modelli per il confronto. Ci aspettiamo molte scoperte e vogliamo essere in grado di comunicarle compiutamente e al più presto! “.

Nessun telescopio terrestre è in grado di captare raggi X provenienti dallo spazio, in quanto la nostra atmosfera, fortunatamente, ci protegge da queste radiazioni. Perciò, l’unico modo per osservarli consiste nell’inviare satelliti in orbita. Nel 2012 fu lanciata la missione NuSTAR della NASA, della stessa classe di Ixpe, che è andata incontro, negli anni, a tante sfide e migliorie tecnologiche di cui Ixpe potrà ora giovarsi grazie al ruolo di Matteo Bachetti. Il ricercatore di Selargius vanta esperienze in Francia e Stati Uniti ed ha partecipato alla calibrazione pre-lancio e al commissioning di NuSTAR, diventando uno dei punti di riferimento delle analisi temporali con il satellite, tanto da vincere una medaglia assegnata dalla NASA e un'onorificenza dal comune nativo. Oggi, porta questa esperienza in Ixpe: “Ad esempio, per elaborare ogni raggio X catturato da NuSTAR e Ixpe - spiega Bachetti - il rivelatore si spegne per un brevissimo intervallo di tempo, un fenomeno chiamato dead time. Questo crea dei problemi nella ricerca di segnali periodici nei dati di sorgenti molto brillanti. Nel tempo abbiamo sviluppato delle strategie per aggirare questi problemi in NuSTAR che torneranno utili per Ixpe.”

Tra i primi sostenitori del coinvolgimento del centro di ricerca sardo nel progetto vi è l’astrofisico Andrea Possenti, primo ricercatore e coordinatore delle attività scientifiche di INAF-OAC connesse con la missione: “Dopo l’emozione del lancio - dichiara Possenti - arriveranno presto copiose anche le scoperte scientifiche, ad esempio nel campo delle stelle magnetar, che sono gli oggetti più magnetizzati dell’Universo. L’osservazione nei raggi-X polarizzati potrà svelarci quale sia la geometria di questi campi magnetici un milione di miliardi di volte più intensi di quello della nostra Terra”.

La partecipazione dell’Osservatorio Astronomico di Cagliari al progetto Ixpe, non è stata casuale e rappresenta un grande traguardo perché è in assoluto la prima volta che l’INAF-OAC contribuisce direttamente alla preparazione di una missione spaziale internazionale. Questo risultato è stato reso possibile grazie al lungimirante progetto del Sardinia Radio Telescope (SRT) voluto e realizzato dal compianto presidente dell’INAF, Nichi D'Amico. Il radiotelescopio sardo ha infatti avuto un duplice ruolo. Da una parte, ha permesso il rientro di numerosi ricercatori e tecnologi italiani che lavoravano fuori dalla Sardegna attraendo nel contempo molti ricercatori e ricercatrici da ogni angolo del mondo (Sudafrica, Cina, Pakistan, Australia, Stati Uniti, solo per citarne alcuni) e con essi le loro conoscenze in ambito tecnologico e scientifico in vari campi. Inoltre, la costruzione di SRT ha rafforzato la collaborazione tra l’Agenzia Spaziale Italiana e l’INAF che condividono sul suolo sardo lo stesso strumento, migliorandolo costantemente con reciproco vantaggio.

Conclude il Direttore di INAF-OAC, Emilio Molinari: “E’ un momento molto emozionante e appagante per l’Osservatorio Astronomico di Cagliari, che si è confermato un volano di eccellenza per tutto territorio. Capace di offrire opportunità di inserimento per giovani ricercatrici e ricercatori e conseguentemente di far crescere nell’isola delle expertise di grande valore, in grado di svolgere ruoli di primo piano in imprese scientifiche di portata mondiale.”

Ixpe, da parte sua, rappresenta per l’INAF di Cagliari una doppia valenza: grande traguardo ma anche trampolino di lancio per ulteriori missioni molto importanti come è il caso della grande collaborazione spaziale sino-europea eXTP (enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission) che, con tutta probabilità, porterà a Cagliari numerosi ricercatori cinesi. Questa però è un’altra storia, ora è tempo per la Sardegna di gioire da protagonista per il tanto atteso lancio di Ixpe.