Gamma dalla Terra, non dal cosmo
Non tutti i raggi gamma arrivano da galassie lontane. I Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGF) sono brevissimi lampi di raggi gamma prodotti all’interno della nostra atmosfera, associati ai temporali e all’attività dei fulmini. Scoperti per la prima volta all’inizio degli anni Novanta dal satellite statunitense BATSE/CGRO, hanno rivelato che la Terra stessa è una sorgente naturale di radiazione gamma di alta energia. Sono uno dei fenomeni più curiosi studiati nell’ambito dell’astrofisica delle alte energie, perché collegano lo studio del cielo profondo a quello dell’atmosfera terrestre. La radiazione coinvolta è la stessa descritta nell’astronomia dei raggi gamma e nella voce di Wikipedia sui raggi gamma, ma qui l’origine non è cosmica: è atmosferica.
Come si formano
Durante un temporale, le differenze di carica fra nube e nube o fra nube e suolo generano campi elettrici molto intensi. In determinate condizioni questi campi possono accelerare elettroni liberi fino a energie relativistiche, innescando un processo a valanga noto come Relativistic Runaway Electron Avalanche (RREA). Gli elettroni così accelerati, urtando i nuclei degli atomi dell’aria, perdono energia emettendo fotoni gamma per radiazione di frenamento (bremsstrahlung). Il risultato è un lampo intensissimo ma estremamente breve, che dura tipicamente da qualche decina di microsecondi a meno di un millisecondo. L’emissione si origina ad altitudini di una decina di chilometri, in corrispondenza delle regioni più attive dei sistemi temporaleschi, e può essere accompagnata dalla produzione di positroni e di fasci di elettroni che risalgono lungo le linee del campo magnetico terrestre.
Il ruolo di AGILE
La missione AGILE si è rivelata particolarmente adatta allo studio dei TGF grazie alla sua orbita bassa, quasi equatoriale, che la porta a sorvolare le fasce tropicali dove i temporali sono più frequenti e violenti. Il rivelatore GRID e soprattutto il calorimetro MCAL hanno permesso di registrare numerosi eventi e di misurarne lo spettro energetico fino a energie sorprendentemente alte, ben oltre quelle osservate in precedenza. Queste misure hanno contribuito a vincolare i modelli teorici su come i temporali accelerano le particelle e su quanta energia possano realmente raggiungere i fotoni prodotti. Il lavoro su questi fenomeni è frutto della collaborazione fra gli enti descritti nel ruolo di INAF e ASI, e mostra come uno strumento progettato per l’astrofisica possa dare contributi alla geofisica. I dati sui TGF sono spesso confrontati con quelli del telescopio statunitense Fermi, come illustrato nel confronto tra AGILE e Fermi.
Perché interessa
I TGF avvengono letteralmente sopra le nostre teste e sollevano domande ancora aperte sulla fisica dei fulmini, un fenomeno familiare ma sorprendentemente poco compreso nei suoi meccanismi più estremi. Comprendere come e dove si producono ha implicazioni anche pratiche: i lampi e i fasci di elettroni associati possono attraversare regioni percorse dal traffico aereo, e capirne la frequenza e l’intensità è utile per la valutazione dell’esposizione alla radiazione in quota. Studiare i TGF significa quindi unire astrofisica, fisica dell’atmosfera e applicazioni concrete, usando un satellite nato per guardare lo spazio profondo. C’è infine un aspetto metodologico interessante: i TGF illustrano bene come uno stesso tipo di radiazione possa avere origini profondamente diverse, cosmiche come nei gamma-ray burst oppure locali come nei temporali, e come distinguere le due richieda strumenti sensibili e ben calibrati. Per chi vuole seguire questi temi in modo accessibile, la guida all’app AGILEScience raccoglie schede divulgative anche su questi fenomeni di confine, nel quadro più ampio della divulgazione dell’astronomia tramite app mobili.