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X-astronomìa.

Branca dell'astronomia che si occupa dello studio delle sorgenti astronomiche mediante l'impiego dei raggi X. Poiché l'atmosfera terrestre è completamente opaca ai raggi X, è necessario portare gli strumenti per la rilevazione di raggi X al di fuori di essa, mediante razzi o satelliti: solo radiazioni di energia superiore a 30 keV possono essere studiate in alta quota, su palloni stratosferici di grande volume. Dal punto di vista storico, il primo corpo celeste osservato ai raggi X fu il Sole (1949), da parte di un gruppo di scienziati americani guidati da H. Friedman; la scoperta della prima sorgente di raggi X esterna al sistema solare risale invece al 1962, ad opera di R. Giacconi, H. Gursky, F. Paolini e B. Rossi. Altri esperimenti con razzi effettuati negli anni seguenti consentirono la scoperta di nuove sorgenti di raggi X, in alcuni casi identificate con oggetti già noti; a partire dagli anni Settanta, poi, sono stati realizzati notevoli progressi nella X-a. mediante l'utilizzo di satelliti artificiali, tra i quali ricordiamo la missione realizzata nel 1996 con il lancio del satellite Sax-Beppo, con il prevalente contributo italiano. I primi strumenti utilizzati per la rilevazione di raggi X furono i contatori Geiger, presto sostituiti dai contatori proporzionali, con i quali è possibile misurare l'energia dei fotoni; la direzione di provenienza dei fotoni veniva determinata mediante collimatori che permettevano una risoluzione angolare di circa mezzo grado, poi migliorata fino ad un primo d'arco, con l'impiego dei collimatori a modulazione. Lo sviluppo dell'ottica a raggi X, avvenuto negli anni Cinquanta, portò all'elaborazione di sistemi ottici sempre più sensibili, che differiscono in base al campo di energia che si vuole indagare. Il numero di sorgenti cosmiche di raggi X attualmente nota è pari a circa 70.000, in base alle osservazioni ottenute con il satellite Rosat in orbita dal 1990, aventi coordinate note con una precisione che va da una decina di secondi d'arco a circa 1,5 primi d'arco; una buona parte di esse, in prevalenza oggetti di natura stellare, si concentra verso le regioni centrali della Via Lattea, mentre le restanti, costituite da nuclei galattici attivi e da ammassi di galassie, si distribuiscono in maniera uguale nel resto del cielo. Oltre alle sorgenti si osserva anche una radiazione diffusa altamente isotropa che si ritiene dovuta all'emissione di un elevato numero di sorgenti extragalattiche lontane, aventi un flusso troppo debole per poterle distinguere singolarmente. Il meccanismo fisico che sta alla base dell'emissione di raggi X da oggetti di natura stellare è la radiazione di frenamento, che viene generata nelle collisioni tra elettroni e ioni positivi in un gas a temperatura molto elevata, dell'ordine di qualche milione di K. Le sorgenti galattiche di raggi X possono essere suddivise in più tipi, diversi per tipologia e luminosità. Una prima classe è costituita da oggetti che emettono energia di origine coronale: è il caso di stelle circondate da un'atmosfera rarefatta con temperatura molto elevata (corona), nelle quali domina il trasporto convettivo dell'energia. Le onde elastiche che si sviluppano, molto intense, vengono dissipate nella corona, che raggiunge così temperature tanto elevate da farle emettere raggi X. Questi processi sono rilevanti in stelle dei tipi spettrali più avanzati, ma l'emissione di raggi X a bassa energia di origine coronale può aversi anche da stelle calde e giovani. Un'altra importante classe di sorgenti galattiche è costituita da gas ad elevata temperatura conseguenti ad una esplosione stellare (supernovae), riconoscibili per la caratteristica struttura a guscio sferico con cui si presenta la loro emissione radio nel campo del visibile e dei raggi X. Un piccolo numero di resti di supernovae presenta, invece, caratteristiche molto diverse da quelle descritte, in particolare per la presenza di emissione anche dalla regione interna: i resti di questo tipo sono detti anche plerioni, e la loro natura differente è spiegata mediante la presenza, nella regione centrale, di una pulsar, ovvero di una stella di neutroni in rapida rotazione con un intenso campo magnetico. Le sorgenti galattiche di raggi X più luminose sono costituite, invece, dai sistemi binari, formati da due stelle orbitanti intorno ad un comune centro di gravità; l'emissione di raggi X avviene quando una delle due componenti è un oggetto collassato (una nana bianca, una stella di neutroni o anche un buco nero) che si trova abbastanza vicino alla seconda componente, che deve essere invece una stella ordinaria. In questo caso, infatti, i gas dell'atmosfera della seconda stella che sfuggono al suo campo gravitazionale precipitano nel campo molto intenso dell'astro collassato: l'energia potenziale dei gas si trasforma in energia cinetica, causando un aumento della temperatura fino ad alcuni milioni di gradi, con conseguente emissione di raggi X. Le sorgenti binari di raggi X contenenti una stella di neutroni possono essere a loro volta suddivise in due classi principali: le sorgenti X di tipo I, in cui la stella secondaria ha grande massa, maggiore di quella solare, è molto luminosa ed emette vento stellare molto intenso, e le sorgenti X di tipo II, in cui la stella secondaria ha massa minore di quella solare, ed emette raggi X con luminosità maggiore di quella ottica anche di più di dieci volte. Facendo sempre riferimento ai sistemi con una stella di neutroni, le osservazioni compiute su una ventina di sistemi hanno mostrato che tale stella ha generalmente una massa compresa tra una e due masse solari; studi teorici prevedono che quando una stella collassata superi le tre masse solari si formi un buco nero. Stime fatte su alcune sorgenti di raggi X nella nostra galassia sembrano confermare un valore per la massa della componente compatta che supera questo limite: tali sorgenti vengono indicate tuttavia come candidati buchi neri, in quanto tali stime si basano su ipotesi difficilmente verificabili. Sono state scoperti anche alcuni sistemi binari sorgenti di raggi X dotati di piccola massa: essi sono gli oggetti di maggiore età nella nostra galassia, in cui le stelle di massa più grande hanno concluso il loro ciclo evolutivo e probabilmente collasseranno in una stella di neutroni. Per quanto riguarda le sorgenti extragalattiche di raggi X, si possono distinguere tre diversi tipi di sorgenti: le galassie normali, i nuclei galattici attivi e gli ammassi di galassie. Si definiscono galassie normali quelle che non presentano un'intensa emissione nella regione nucleare; in esse la radiazione X è prodotta essenzialmente dalle diverse sorgenti di natura stellare e dai resti di supernovae che contengono. Sono state osservate, ad esempio, oltre un centinaio di sorgenti in M31, la galassia a spirale della costellazione di Andromeda appartenente al Gruppo locale, alcune delle quali sono state anche identificate otticamente. La presenza di un'emissione di raggi X oltre il contorno visibile osservata in alcune galassie ellittiche, inoltre, ha dimostrato la presenza di materia non osservabile nella banda del visibile, che contribuisce al campo gravitazionale che regola la dinamica del sistema stellare. I nuclei galattici attivi, o NGA, costituiscono la classe più numerosa di sorgenti X extragalattiche: sono formati da galassie che presentano un'emissione di radiazione di origine non stellare nella regione nucleare, la cui luminosità supera quella dell'intera componente stellare della galassia. Secondo i più recenti studi gli NGA seguirebbero un unico modello fisico, nel quale materia e radiazione sono distribuite in modo anisotropo: al centro di ogni NGA si troverebbe un buco nero di grande massa, attorno al quale ruoterebbe un disco di accrescimento, una struttura abbastanza stabile formata dal gas in rotazione nel processo di caduta, prima del collasso finale. L'emissione di raggi X da ammassi di galassie, infine, è spazialmente estesa, e presenta una distribuzione che dipende dalla struttura del campo gravitazionale dell'ammasso stesso: il gas intergalattico, infatti, tende a concentrarsi nelle zone in cui il potenziale è minore. La distribuzione dell'emissione X, pertanto, fornisce una vera e propria mappa del campo gravitazionale dell'ammasso, e consente di stimare la materia che lo produce. Oltre alla radiazione X emessa dalle sorgenti, galattiche ed extragalattiche, appena elencate, è stata scoperta nel 1962 una radiazione X di fondo , sulla cui origine e natura sono state fatte molte indagini; viene attualmente giustificata come il prodotto dell'emissione sovrapposta di molte sorgenti lontane, aventi un flusso troppo debole per essere individuate singolarmente. Non è chiaro, tuttavia, quali debbano essere i contributi delle diversi classi di sorgenti, anche se si ritiene che il 20% circa sia dovuto agli ammassi di galassie e alle galassie normali, ed il restante agli NGA.