In questi giorni si parla molto delle passeggiate spaziali dell'astronauta Luca Parmitano - @astroluca sui social network - che il 15 novembre scorso ha cominciato una serie di delicati interventi con il collega Andrew Morgan sullo strumento Ams-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) montato sulla Stazione spaziale internazionale (Iss). Ma che cos'è quest'oggetto? Come funziona? Perché è così importante mantenerlo in funzione, tanto da dedicargli molte ore del prezioso tempo degli astronauti? Che cosa ha fatto esattamente (e che cosa farà ancora) @astroluca?
Abbiamo posto queste domande a Roberto Battiston, docente di fisica all'Università di Trento, esperto di raggi cosmici e padre di Ams-02, un esperimento nato negli anni '90 da un'idea sua e del premio Nobel statunitense Samuel C. C. Ting.
Ams-02 è uno strumento grande come una piccola stanza di 3x3x3 metri e pesa 7 tonnellate. Perché portare nello spazio un oggetto del genere?
L'idea è nata nell'estate del 1994, da alcune discussioni che ho avuto con Samuel Ting, con cui collaboro da oltre trent'anni. All'epoca lavoravamo insieme all'acceleratore Lep (Large electron-positron collider), al Cern di Ginevra, e ragionavamo su quale potesse essere il prossimo passo nella fisica delle particelle. Decidemmo quindi di portare nello spazio rivelatori analoghi a quelli utilizzati al Cern, in grado di identificare le particelle una alla volta con tutte le loro proprietà di massa, energia, direzione, carica elettrica. I raggi cosmici che arrivano dall'universo e bombardano la Terra, infatti, possono contenere informazioni molto importanti sui processi che li hanno generati.
Che cosa misura, dunque, lo strumento?
Ams-02 misura tutti i raggi cosmici, ma noi ci concentriamo sulla piccola percentuale di antimateria. Gran parte dei raggi cosmici che misuriamo sono protoni (80% circa), poi ci sono i nuclei di elio (15%). Gli elettroni sono molti meno, appena pochi per cento, mentre gli antielettroni sono parti per mille. Gli antiprotoni sono ancora più rari: parti per centomila. In generale, quanto più pesanti sono le antiparticelle, tanto meno ce n'è nei raggi cosmici. Gli antinuclei – cioè nuclei di antimateria – come quelli di anti-elio, anti-litio o anti-carbonio, dovrebbero essere così rari che non ne dovremmo osservare nemmeno uno. E invece…
Prima di arrivare ai risultati, forse è utile spiegare come è composto l'apparato.
Ams ha tante componenti: una che misura le tracce dei raggi cosmici, una che misura la carica, una che misura il momento di arrivo e così via.
Per fare la fotografia precisa di ogni raggio cosmico che passa, queste parti devono lavorare tutte insieme. Degli 8 rivelatori in funzione, 6 sono stati fatti in Italia, o coordinati fortemente dall'Italia, dai fisici dell'Istituto nazionale di fisica teorica (Infn); mentre l'Agenzia spaziale italiana (Asi) ha garantito buona parte del supporto economico necessario. L'Italia ha dato un contributo straordinario, anche con i suoi astronauti: Ams-02 è stato portato in orbita da Roberto Vittori, con una missione che ha coinvolto anche Paolo Nespoli, e adesso c'è Luca Parmitano che è protagonista della riparazione. Luca è, tra gli astronauti attualmente a bordo della Iss, quello che ha ricevuto la formazione più completa su questo tipo di interventi.
A caccia di antimateria: un prototipo di Ams, che si chiamava Ams-01, è stato lanciato nello spazio a bordo dello Space Shuttle Discovery nel giugno del 1998. La seconda versione, Ams-02, è stata installata sulla Stazione spaziale internazionale il 19 maggio del 2011 ed è ancora in funzione: sta mettendo alla prova le nostre teorie più avanzate sull'origine e sulla composizione dell'universo. Il suo obiettivo è quello di cercare nel cosmo l'antimateria, cioè quella sostanza speculare alla materia che però è rarissima sulla Terra. L'antimateria è composta da particelle identiche a quelle di materia, se non per il fatto che alcune proprietà sono invertite (come la carica elettrica). E quando particelle e antiparticelle si incontrano, entrambe svaniscono per produrre un lampo di energia.
Arrivando proprio a Parmitano, le sue attività riguardano il sistema di raffreddamento. Di che cosa si tratta?
Al cuore di Ams-02 c'è un rivelatore dotato di una superficie totale di circa 5 metri quadrati di rivelatori al silicio equipaggiati con un sistema di lettura composto da circuiti elettronici. All'epoca era la struttura di questo tipo più grande mai concepita, capace di misurare le particelle con una precisione di pochi micron (milionesimi di metro). Ma per poter funzionare, questo elemento deve essere termicamente stabile, perché altrimenti la struttura di supporto viene distorta e non si riesce più a ricostruire con precisione il percorso delle particelle. Quindi è necessario avere un sistema di raffreddamento estremamente efficiente. Non è facile: per farlo abbiamo sviluppato una tecnica particolare basata su CO2 (anidride carbonica) ad alta pressione, che passa in piccoli tubi e, a contatto con il circuito surriscaldato, evapora assorbendo energia. L'anidride carbonica viene tenuta a una pressione di 200 atmosfere e fatta circolare con pompe come quelle usate nei rover marziani: con questi accorgimenti, il rivelatore può trovarsi stabilmente a una temperatura stabile intorno ai 15 °C.
Allora che cosa è andato storto?
Dopo tanti anni di operatività, ormai siamo all'ottavo, le pompe si sono in gran parte rotte. In tutto ci sono due sistemi di raffreddamento, ciascuno con due pompe. Ne era rimasta in funzione solo una, che comunque era sufficiente. Però, a quel punto, è stato necessario intervenire.
Che cosa sta facendo esattamente Parmitano?
Il suo è un intervento che potremmo definire non solo a cuore aperto, ma perfino di sostituzione del cuore. Parmitano deve tagliare otto canali metallici che portano il fluido dentro e fuori le pompe, due per pompa, e sostituire il blocco intero con un altro blocco, già pronto, in cui fare otto connessioni. Le connessioni elettriche sono relativamente facili da effettuare, anche se niente è facile nello spazio. La vera sfida sono le connessioni idrauliche, che sono molto piccole e devono tenere 200 atmosfere. Gli astronauti sono stati accuratamente addestrati per svolgere un compito di questo tipo, ma certamente in quelle condizioni si tratta di una grande sfida.
Quindi la sfida è proprio quella, fare un lavoro da idraulico di altissima affidabilità.
Certamente. Per poter effettuare l'intervento, la CO2 viene prima svuotata, poi vengono effettuati la sostituzione dell'elemento difettoso e il lavoro di saldatura. Infine, la struttura viene riempita nuovamente di CO2 e si dà il via: il nuovo cuore comincerà a battere, e con le pompe in funzione nel giro di pochi giorni sapremo se il lavoro fatto sarà stato perfetto o meno. Quello sarà il momento decisivo, dopo l'attività extraveicolare che ci terrà con il fiato sospeso per quasi un mese.
Questo la dice lunga su quanto sia importante lo strumento.
A parte il telescopio spaziale Hubble, per il quale sono state addirittura pianificate apposite missioni, finora non era mai successo nello spazio che un intervento così complesso fosse dedicato a un singolo strumento.
A parte questi interventi straordinari, Ams-02 è guidato da terra. Quante persone ci lavorano?
Lo strumento è controllato da remoto, e normalmente gli astronauti non se ne preoccupano affatto. Il centro di controllo è al Cern di Ginevra ed è operativo 24 ore al giorno. Normalmente ci sono 2 o 3 persone, che si alternano ogni otto ore, ma nei momenti cruciali possono essere presenti in sala di controllo anche 20 persone.
Quali risultati sono stati finora ottenuti?
Tra le decine di miliardi di particelle registrate ogni anno, con una frequenza di circa una volta all'anno viene registrata una particella con le caratteristiche di un anti-nucleo di elio.
Poiché si tratta di fenomeni molto rari, non è ancora chiara la loro origine. Potrebbe trattarsi di eventi casuali. Però sulla base delle conoscenze attuali di antinuclei di elio non dovremmo vederne affatto. E invece ci sono. Per questo la Nasa vuole che l'esperimento continui, perché vogliamo essere sicuri di stabilire se c'è o no un'anomalia nella quantità di anti-elio che osserviamo.
E quest'anomalia che cosa dimostrerebbe?
Quando il nostro universo è nato, 14 miliardi di anni fa, si pensa che subito dopo il Big Bang materia e antimateria fossero presenti nelle stesse quantità. Poi, però, quando la temperatura è scesa sotto una certa soglia, di sono annichilite generando una fiammata di energia: è rimasta solo una parte su 10 milioni della materia iniziale, e non sappiamo che fine abbia fatto la corrispondente parte di antimateria. In quell'istante materia e antimateria devono essersi separate, altrimenti non saremmo qui, ma non sappiamo come è avvenuta questa separazione.
Dunque lei suggerisce che nel nostro universo potrebbero esserci intere stelle o perfino galassie di antimateria che non abbiamo ancora identificato?
Può darsi. Di certo, è difficile che l'antimateria primordiale sia sopravvissuta fino a oggi. Quindi se vedessimo una quantità significativa di anti-nuclei di elio, di litio, o di altra natura, vorrebbe dire che c'è da qualche parte – magari in un punto non lontanissimo da noi, ma isolato dalla nostra galassia – una stella di antimateria che genera questi elementi. Una stella del genere, per i nostri telescopi, potrebbe essere del tutto indistinguibile da una stella di materia normale.
Sarebbe una scoperta sensazionale!
Certamente, infatti è proprio questo che giustifica l'intervento di Parmitano. Però nel frattempo Ams-02 ha prodotto anche altri risultati di rilievo, che hanno cambiato completamente la nostra comprensione dei raggi cosmici, portando un settore che era caratterizzato dalla sua scarsa precisione delle misure (il 20-30-50% dell'errore era la norma) in misure al percento. Grazie a questo esperimento, siamo entrati nell'era della fisica dei raggi cosmici di precisione. E abbiamo anche osservato un eccesso di antielettroni ad una energia molto alta, circa 500 GeV (il GeV è un'unità molto usata nella fisica delle particelle). Sono particelle molto energetiche, e la loro abbondanza non è stata ancora spiegata. In attesa di poter ottenere più dati, attualmente sono almeno due le ipotesi che si contendono la spiegazione. La prima è che a produrli sia una sorgente astrofisica come una pulsar, cioè una stella molto densa che emette, tra l'altro, elettroni e antielettroni di alta energia.
La seconda spiegazione, più radicale, è che a produrre gli antielettroni sia un fenomeno di decadimento o di annichilazione della materia oscura. Le osservazioni astronomiche, infatti, mostrano che l'universo è composto in gran parte da una misteriosa e invisibile forma di materia, che ha una massa 6 volte maggiore di quella della materia ordinaria. Ancora non abbiamo idea di quale sia la sua natura: forse Ams ci sta fornendo una prima traccia osservabile della sua presenza.
