L'esperimento spaziale PAMELA compie dieci anni

In questi giorni l’esperimento spaziale PAMELA (in cui lavoro)  ha compiuto dieci anni.
Il lancio (qui il video)  dello spettrometro magnetico è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), la stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo di Yuri Gagarin.
Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m, è alloggiato in un contenitore pressurizzato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti allo studio dei raggi cosmici, ossia elettroni, protoni e nuclei presenti nella nostra galassia.

Alcuni raggi cosmici osservati con PAMELA. Sinistra:Elettrone (0.171 MeV). La particella entra dall’alto della figura colpendo due barre dello scintillatore posto in cima (S1) e sopra il magnete (S2). La sua traiettoria - curvata dalla presenza del campo magnetico - è rivelata dalle microstrip al silicio del tracker. La particella interagisce successivamente con lo scintillatore di fondo (S3) prima di essere assorbita dal calorimetro tracciante al silicio tungsteno. Centro: Positrone di 0.169 MeV. Le interazioni con l’apparato sono le stesse quelle dell’evento precedente ma la curvatura è nel verso opposto. Destra: un protone di 36 GeV. La sua alta energia fa sì che la curvatura nel magnete sia molto ridotta. È visibile lo sciame adronico prodotto dall’interazione con il calorimetro, la carica rilasciata nello scintillatore di coda (S4) ed i neutroni prodotti nello sciame e rivelati nel rivelatore di neutroni.

Nel corso dei suoi primi dieci anni di vita PAMELA ha fornito dati di estrema precisione che hanno mutato la nostre conoscenze sulla fisica dei raggi cosmici, galattici, solari e intrappolati intorno alla terra (qui i risultati principali su Nature, Science, Physical review letters).

Tra le varie scoperte citiamo quella di una fascia di antiprotoni intrappolata intorno alla terra. Gli antiprotoni, identici ai protoni ma con carica opposta, sono prodotti negli urti dei raggi cosmici primari con l’atmosfera terrestre e rimangono poi intrappolati nel campo geomagnetico. Purtroppo le quantità di antimateria sono troppo piccole per sfruttarle come forma di energia e meno che mai per realizzare una bomba (senza contare che i metodi di confinamento per una bomba di antimateria sono ben oltre le nostre possibilità tecniche ed energetiche).

Tra gli altri risultati vi è la misura della componente di antimateria, antiprotoni e positroni, presente nei raggi cosmici. L'importanza di questa misura risiede nella possibilità di rivelare la presenza indiretta di materia oscura. 

Produzione di antiprotoni nel mezzo interstellare o in prossimità della terr . I protoni relativistici, accelerati nell'esplosione di supernovae, urtano con quelli in quiete della polvere galattica o con gli strati superiori della nostra atmosfera. Dalla collisione viene prodotto un antiprotone ed un protone (per conservazione della carica e del numero barionico).

Le misure di PAMELA, pubblicate su Nature nel 2009  (Nature 458, 607-609 (2009), una copia è disponibile qui), hanno raggiunto per la prima volta  l'energia di 100 GeV. Il quadro che emerge è sconcertante e stimolante allo stesso tempo: il numero di antiprotoni appare coerente con quanto aspettato da una produzione normale, mentre quello di positroni mostra un aumento significativo al di sopra di 10 GeV. Sono state avanzate varie ipotesi sulla natura di questo aumento inaspettato (confermato negli da altri esperimenti come FERMI  e AMS che ha leggermente esteso l’intervallo energetico) di positroni di alta energia. La più interessante è che siano prodotti dalla annichilazione di materia oscura, anche se sorgenti astrofisiche come le pulsar potrebbero contribuire in parte al flusso di positroni osservato.

Possibile produzione di particelle secondarie a seguito dell'annichilazione delle particelle di materia oscura.

9 anni di PAMELA nello spazio

Il 15 Giugno 2006 il satellite Resurs-DK1 venne lanciato dal cosmodromo spaziale di Baikonur, utilizzando un razzo Soyuz simile a quello utilizzato per mandare gli astronauti sulla stazione spaziale internazionale. A bordo, anche l'apparato PAMELA, uno strumento realizzato da una collaborazione internazionale di ricercatori russi, italiani (tra cui il sottoscritto), svedesi e tedeschi.
Nel corso di questi 9 anni, PAMELA ha misurato con precisione la componente di particelle ed antiparticelle nei raggi cosmici, scoprendo  - tra l'altro - una fascia di antiprotoni intorno al nostro pianeta (PRL2011), un incremento di positroni galattici (Nature 2010), e un aumento anomalo del flusso di elio rispetto a quello di protoni (Science 2011). In questi nove anni è stato possibile anche studiare varie eruzioni solari e la struttura magnetica del sistema solare.
Tanti auguri Pamela e - di nuovo - grazie di tutto!

Sinistra: Il satellite russo  Resurs-DK1. E’ possibile vedere i pannelli solari in basso ed il lungo cilindro contenente gli apparati ottici per le osservazioni terrestri. PAMELA è posta nel contenitore pressurizzato nella sinistra della figura. La Terra è idealmente posta nell’alto della figura. Centro: Foto del Resurs-DK1 nelle fasi finali di integrazione a Baikonur (2006). Il contenitore pressurizzato è visibile nella sinistra della Figura. Destra: L’apparato PAMELA nelle fasi finali di integrazione nelle camere pulite di Roma Tor Vergata (2005). 

Misure delle abbondanze  delle varie particelle presenti nei raggi cosmici effettuate da PAMELA.

Buon Compleanno Pamela! Otto anni nello spazio, tra raggi cosmici, antimateria, ed eruzioni solari

Oggi   PAMELA compie otto anni.

Il lancio dello spettrometro magnetico è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), la  stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo   di Yuri Gagarin.

PAMELA sulla rampa di lancio,  cosmodromo spaziale di Baikonur, Kazakistan 

Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m,   è   alloggiato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti alla determinazione del   tipo  ed energia  dei raggi cosmici, (elettroni, protoni, nuclei), con particolare riguardo alla  componente di antimateria,  ad energie e  con  precisioni   sino ad ora mai raggiunte con misure dirette.

Nel corso dei primi otto anni di vita PAMELA ha fornito dati rivoluzionari per la fisica dei raggi cosmici, la componente di antimateria nello spazio (persino intorno alla terra) e la ricerca indiretta di materia oscura. I risultati sono stati pubblicati su Nature, Science, Physical review letters....

L'unico rammarico è che a otto anni dal lancio tutti i dottorandi, post-doc e ricercatori a tempo determinato che hanno lavorato sulla costruzione e l'analisi dati dello strumento sono rimasti precari,  anche perché curiosamente ignorati nei rari concorsi di università ed enti di ricerca intercorsi da allora. 

Buon compleanno PAMELA, e grazie di tutto!

Sinistra: Il satellite russo  Resurs-DK1. E’ possibile vedere i pannelli solari in basso ed il lungo cilindro contenente gli apparati ottici per le osservazioni terrestri. PAMELA è posta nel contenitore pressurizzato nella sinistra della figura. La Terra è idealmente posta nell’alto della figura. Centro: Foto del Resurs-DK1 nelle fasi finali di integrazione a Baikonur (2006). Il contenitore pressurizzato è visibile nella sinistra della Figura. Destra: L’apparato PAMELA nelle fasi finali di integrazione nelle camere pulite di Roma Tor Vergata (2005). E’ possibile distinguere le tre strutture di scintillatori del tempo di volo (S1, S2, S3), utilizzati per la determinazione della velocità e carica delle particelle. Le anticoincidenze (AC) poste intorno all’apparato consentono di eliminare eventi non validi provenienti dai lati;  lo spettrometro magnetico (TRK) è collocato tra i due scintillatori S2 ed S3, mentre il calorimetro silicio tungsteno (CALO), lo scintillatore di coda (S4) ed il rivelatore di neutroni (ND) vengono utilizzati per determinare la natura (leptone o adrone) dell’evento, e la  sua energia (nel caso di elettroni/positroni).

Sei anni di PAMELA nello spazio

Oggi PAMELA festeggia sei anni di vita:  il 15 giugno 2006 è infatti stata lanciata dal cosmodromo di Baikonur (Kazakistan), dalla  stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo   di Yuri Gagarin.

PAMELA è uno spettrometro magnetico rivolto allo studio di raggi cosmici ed alla ricerca di antimateria nello spazio. 

PAMELA sulla rampa di lancio,  14/6/2012

Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m,   è   composto da una serie di  rivelatori rivolti allo studio di elettroni, positroni, protoni nei raggi cosmici in un ampio intervallo energetico, misurando  la componente di antimateria  ad un'energia e  con una precisione   sino ad ora mai raggiunte.   In sei anni le misure di PAMELA hanno rivoluzionato le conoscenze sui raggi cosmici nella nostra galassia, scoprendo una nuova componente di positroni, di protoni ed elio ed una fascia di antimateria intorno al nostro pianeta. 

La Soyuz pochi secondi prima del lancio (giugno 2006)

Lancio (foto F. Cafagna)

Alcuni   raggi cosmici osservati con PAMELA. Sinistra:  Elettrone di 0.171 GV. La particella entra dall’alto della figura colpendo due barre dello scintillatore posto in cima (S1) e sopra il magnete (S2). La sua traiettoria -  curvata dalla presenza del campo magnetico -  è rivelata delle microstrip al silicio del tracker. La particella interagisce successivamente con lo scintillatore di fondo (S3) prima di essere assorbita dal calorimetro tracciante al silicio tungsteno. Centro:  Positrone di 0.169 GV. Le interazioni con l’apparato sono simili a quelle dell’evento precedente ma la curvatura è nel verso opposto. Destra: un protone di 36 GV. La sua alta energia fa sì che la curvatura nel magnete sia molto ridotta. E’ visibile lo sciame adronico prodotto dall’interazione con il calorimetro, la carica rilasciata nello scintillatore di coda (S4) ed i neutroni prodotti nello sciame e rivelati nel rivelatore di neutroni.




Qui abbiamo festeggiato i 2000 giorni e qui i cinque anni. Con la nuova candelina rinnoviamo tanti auguri di lunga vita: i prossimi anni saranno fondamentali per lo studio dell'attuale ciclo solare....

La strada delle stelle è aperta: 3) Il cosmodromo di Baikonur

La strada per le stelle aperta da Korolev partiva dal segretissimo cosmodromo spaziale di Baikonur, in Kazakistan. Assieme a quello di  Plesetsk assicurano ancor oggi la maggior parte dei lanci   della Russia. Plesetsk  è rivolto principalmente ai lanci polari per la sua elevata latitudine (62° N, vicino alla città di Arkangelsk), mentre Baikonur, sito a 51° nelle steppe del Kazakhistan, è più vicino all’equatore ed è utilizzato per porre satelliti in orbita geostazionaria e per i voli con equipaggio umano. 

La Soyuz con a bordo il satellite
 Resurs e l'esperimento PAMELA
 verso la rampa di lancio (fda)

La città di Baikonur vista dall'aereo (fda)

Baikonur è oggi un enclave russo grazie ad accordi speciali con il governo Kazako. La “vera” città di Baikonur si trova in realtà a circa 200 chilometri di distanza, mentre il villaggio sulle rive del fiume Syr Darya era chiamato Tyuratam e poi Leninsk. La designazione Baikonur fu data ai tempi della guerra fredda per confondere gli aerei spia.

Le abitazioni di Korolev e Gagarin, in prossimità
della rampa di lancio da cui partirono il
primo satellite ed il primo uomo per lo spazio.

Gli edifici di assemblaggio delle Soyuz (blu, sx)
e le vecchie rampe di lancio lunare (sx)

Il modello meccanico dello shuttle russo Buran,
ora al museo di Baikonur

La base occupa un’area grande quanto il Lazio, in cui sono presenti decine di rampe di lancio, due aeroporti, ed installazioni di ogni genere. Alla città vera e propria si aggiungono altri distretti abbandonati dopo il crollo dell’URSS e la chiusura di alcuni programmi spaziali come quello dello shuttle russo Buran. La città vera e propria è a circa 40 minuti di treno o autobus dalla zona di integrazione e lancio dei razzi. Ben presto Korolev, stufo di fare su e giù ogni giorno, si trasferì in uno spartano edificio vicino alla rampa di lancio. Nella casa gemella Gagarin dormì la notte prima del suo storico volo.

Il fiume Syr Darya

Le strade della città

Il mercato

La chiesa di S. Giorgio
il vittorioso (fda)

Padre Sergei (fda)

 Parte 3/fine 

(Parte 1)

(Parte 2)

Questo post fa parte del Carnevale della Fisica, edizione di Aprile, ospitato dal blog di Leonardo Petrillo 

La strada per le stelle è aperta: 2) La corsa alla Luna dell'Unione Sovietica

Il razzo N1 sulla via per la
rampa di lancio

Gli anni ’60 furono  testimoni della corsa alla Luna: dopo la prima storica foto della faccia nascosta del nostro satellite nel 1959 (missione russa Luna-2) giunse l’annuncio di Kennedy che, nel 1961, promise di far giungere un uomo sulla Luna prima della fine del decennio.

In questa nuova “gara” fu l’URSS ad avere la peggio: il primato del volo umano attorno alla Luna spetta all’Apollo 8 nel dicembre 1968 e Neil Armstrong scese nel mar della tranquillità il 21 luglio del 1969. Le ragioni del fallimento sovietico  sono da attribuirsi alla rivalità tra i dipartimenti ed i progetti coesistenti nell’apparato sovietico, un budget inferiore a quello americano ma soprattutto  la prematura morte di Korolev nel 1966, a soli 59 anni, a seguito di problemi medici accumulatisi negli anni di permanenza nei gulag stalinisti. Dell’enorme razzo lunare N-1 restano ormai solo alcuni frammenti nella base di  Baikonur usati come garage.

Uno dei lanci abortiti del razzo N1
(da qui)

Questo tipo di rivalità e duplicazione di sforzi, e relative spese ha sempre accompagnato l’avventura spaziale sovietica: già nel 1959 Korolev propose a Khrushchev di riorganizzare ed unificare i vari settori di ricerca e sviluppo, ricevendo una risposta negativa. Nel programma lunare ciò ebbe conseguenze catastrofiche in assenza di un leader carismatico e competente come Korolev. A differenza di quanto avvenuto in precedenza, non vi fu un secondo posto in questa classifica: i sovietici cancellarono il programma umano dopo il successo delle missioni Apollo e ne negarono addirittura l’esistenza sino al 1989. Il motivo di questa scelta è da ricercarsi negli alti costi del programma ma, soprattutto, nella differente natura delle missioni lunari: per la loro distanza dalla Terra queste erano a carattere unicamente scientifico e di propaganda, mancando di ogni  elemento di vantaggio  strategico/militare legato allo stabilire una permanenza umana, eventualmente armata, in orbita terrestre.

La rampa di lancio dei voli lunari,
poi riconvertita per lo shuttle Buran ed ora inutilizzata (fda)

 I tre edifici cilindrici al centro e sulla destra sono garage
 costruiti con  gli ultimi resti del razzo lunare N-1 (fda)

Parte 2/continua 
(Parte 1)
Questo post fa parte del Carnevale della Fisica, edizione di Aprile, ospitato dal blog di Leonardo Petrillo 

La strada delle stelle è aperta: 1) Sergei Korolev, Yuri Gagarin e lo Sputnik

Yuri Gagarin, a sinistra, e Sergei Korolev,
 a destra (foto TASS) 

Sergei Korolev (1907-1966) è l'artefice - ancora oggi poco conosciuto -  dei successi del programma spaziale sovietico. Capo progettista del programma spaziale sovietico progettò molti dei razzi e delle capsule spaziali dell'Unione Sovietica, alcuni dei quali ancora utilizzati. Per motivi di segretezza, il nome di questo pioniere dello spazio fu tenuto segreto sino a dopo la sua morte e solo dopo il crollo dell’URSS è stato possibile rendergli il dovuto omaggio. 

Korolev disegnò il missile intercontinentale balistico R-7 da cui derivò il razzo che lanciò il primo satellite artificiale, lo Sputnik-1 (che in russo significa satellite) nell’ottobre 1957. Avuta conferma del riuscito lancio dello Sputnik, Korolev disse ai suoi colleghi, “Congratulazioni, la strada delle stelle è aperta”. A questo successo  seguì un solo mese dopo lo Sputnik-2 con a bordo il cane Laika[1].

Modello ingegneristico dello Sputnik,
 gemello identico del primo satellite
 artificiale lanciato nel 1957.
Museo di Baikonur. (fda)

Il 12 Aprile 1961 una nuova conquista: Yuri Gagarin è il primo uomo a raggiungere lo spazio. A bordo della sua Vostok 1 orbitò intorno alla terra per circa 108 minuti prima di atterrare nelle steppe del Kazakistan. Il primo  cosmonauta russo dovette sopportare le intense accelerazioni del lancio, l’assenza di gravità e soprattutto il duro atterraggio, nel quale dovette prima espellersi dalla capsula con il seggiolino eiettabile e poi sganciarsi da esso per paracadutarsi al suolo. Al suo arrivo fu acclamato come eroe, sia in URSS che nel resto del mondo.

“La Strada delle stelle è aperta”.
La frase detta da Sergei Korolev campeggia
 nel piazzale da cui Gagarin ed i cosmonauti partivano 
 per le missioni spaziali (fda)

La consolle utilizzata per lanciare la Vostok
 con a bordo Yuri Gagarin. Al centro  è presente il logbook della rampa di lancio. Museo di Baikonur (fda)

Secondo  il colonnello Valentin Petrov – amico di Gagarin –  fu questa notorietà ad indurre Khrushchev ad attribuire al giovane pilota la frase “Sono stato nello spazio ma non ho visto Dio”. Sempre secondo Petrov, la frase  fu pronunciata per la prima volta dal premier sovietico al congresso del partito dell’URSS e poi da lui attribuita a Gagarin per il maggiore peso che avrebbe avuto – sia in Russia che nel mondo – se proveniente sulle labbra del famoso cosmonauta.

L’importanza di Gagarin gli impedì purtroppo di raggiungere nuovamente le stelle ed il famoso ma sfortunato cosmonauta perì il 27 marzo 1968 in un incidente aereo.

Gagarinsky Start, la rampa di lancio da cui sono stati lanciati lo
 Sputnik e Gagarin. A bordo del razzo Soyuz in foto è presente il
satellite russo Resurs-DK1 con l’esperimento italo-russo
 PAMELA. (14 Giugno 2006, fda)

Parte 1/continua
(Parte 2)
Questo post fa parte del Carnevale della Fisica, edizione di Aprile, ospitato dal blog di Leonardo Petrillo 

Note:

 [1] Al di là dell’oceano fu solo dopo una serie di ritardi e lanci falliti che  l’Explorer-1, primo satellite  statunitense venne lanciato nel gennaio 1958 grazie alla direzione del tedesco Von Braun.

[2] Plesetsk nacque come base per il lancio di ICBM verso gli Stati Uniti, anche se l’unica volta che i missili furono armati con testate nucleari fu nella crisi di Cuba del 1961. Nel 1962 Plesetsk fu selezionata come base per i lanci spaziali e le rampe degli ICBM furono riconvertite.

Due Lanci da Baikonur

Due video  di lanci cui ho avuto la fortuna di assistere dal cosmodromo spaziale di Baikonur, in Kazakistan.

Il primo, notturno è del cargo Progress,(Progress 20P, 21 dicembre 2005, ore 22:58 ora di Mosca).

La capsula era diretta verso la Stazione Spaziale Internazionale  con varie tonnellate di cargo e cibo. Tra le altre cose erano contenuti i dosimetri, le carte di memoria ed il materiale di schermatura dalla radiazione per l'esperimento ALTCRISS, precursore di ALTEA. 

Il secondo video è quello di Pamela, lo spettrometro magnetico lanciato cinque anni or sono dalla stessa rampa di lancio della Progress.

Alla fine di entrambi i video, con un po' di attenzione, si vede lo sgancio dei 4 razzi laterali (a circa 120 secondi dal lancio).
L'audio putroppo non rende l'idea del rombo potente e di bassa frequenza del momento del lancio.

5 anni di Pamela in orbita

Oggi  ricorrono i primi cinque anni di PAMELA in orbita.

Il lancio è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), dalla  stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo   di Yuri Gagarin.

PAMELA sulla rampa di lancio, la stessa da cui furono lanciati lo Sputnik e Yuri Gagarin, cosmodromo spaziale di Baikonur, Kazakistan (foto M.C.).

Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m,   è   alloggiato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti alla determinazione del   tipo  ed energia  dei raggi cosmici, (elettroni, protoni, nuclei), con particolare riguardo alla  componente di antimateria,  ad energie e  con  precisioni   sino ad ora mai raggiunte con misure dirette.

Sinistra: Il satellite russo  Resurs-DK1. E’ possibile vedere i pannelli solari in basso ed il lungo cilindro contenente gli apparati ottici per le osservazioni terrestri. PAMELA è posta nel contenitore pressurizzato nella sinistra della figura. La Terra è idealmente posta nell’alto della figura. Centro: Foto del Resurs-DK1 nelle fasi finali di integrazione a Baikonur (2006). Il contenitore pressurizzato è visibile nella sinistra della Figura. Destra: L’apparato PAMELA nelle fasi finali di integrazione nelle camere pulite di Roma Tor Vergata (2005). E’ possibile distinguere le tre strutture di scintillatori del tempo di volo (S1, S2, S3), utilizzati per la determinazione della velocità e carica delle particelle. Le anticoincidenze (AC) poste intorno all’apparato consentono di eliminare eventi non validi provenienti dai lati;  lo spettrometro magnetico (TRK) è collocato tra i due scintillatori S2 ed S3, mentre il calorimetro silicio tungsteno (CALO), lo scintillatore di coda (S4) ed il rivelatore di neutroni (ND) vengono utilizzati per determinare la natura (leptone o adrone) dell’evento, e la  sua energia (nel caso di elettroni/positroni).

Nel corso dei primi cinque anni di vita PAMELA ha fornito dati rivoluzionari per la fisica dei raggi cosmici, la componente di antimateria nello spazio e la ricerca indiretta di materia oscura. I risultati sono stati pubblicati su Nature, Science, Physical Review letters....
Buon compleanno PAMELA, e grazie di tutto!

Spettri del flusso delle componenti principali dei  raggi cosmici nell’intervallo accessibile a PAMELA. Sono dominati dai protoni e dai nuclei di elio (circa il 90% ed il 9%).   In caso di eruzioni solari il flusso può aumentare improvvisamente di vari ordini di grandezza (curva rossa: misure   PAMELA relative all’evento del 13 Dicembre 2006). Anche nella regione del Sud Atlantico il flusso di protoni intrappolati  è molto più alto di quello galattico. La componente negativa è composta prevalentemente  da elettroni  con l’antimateria (antiprotoni)  presente solo in piccole  quantità.