H.E.R.M.E.S. Pathfinder - High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo ...
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H.E.R.M.E.S. Pathfinder High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
INDICE
1. TITOLO DEL PROGETTO .............................................................................................. 4
2. SETTORE DI AFFERENZA.............................................................................................. 4
3. NOME DEL COORDINATORE DEL PROGETTO ............................................................... 4
4. ELENCO DEI PARTECIPANTI AL PROGETTO SUDDIVISI PER UNITÀ OPERATIVE ............. 4
4.1. Collaborazione con Università ed Altri Enti di Ricerca 6
4.2. Istituti INAF coinvolti nella collaborazione 6
4.3. Collaborazioni Internazionali 6
4.4. Collaborazioni Industriali 6
5. RIASSUNTO DEL PROGETTO DI RICERCA ..................................................................... 7
6. PAROLE CHIAVE PROPOSTE ........................................................................................ 8
7. OBIETTIVI CHE IL PROGETTO SI PROPONE DI RAGGIUNGERE ...................................... 8
7.1. Sviluppo di Competenze 9
7.2. Coinvolgimento di Soggetti Pubblici e Privati 10
7.3. Attrazione degli Investimenti e sostenibilità finanziaria 10
7.4. Coinvolgimento di Giovani Ricercatori 10
7.5 Team di programma e Governance 11
7.6 Tempi certi ed obiettivi chiari 11
7.7 Capacità amministrativa 12
8. STATO DELL’ARTE ......................................................................................................12
9. ARTICOLAZIONE DEL PROGETTO E TEMPI DI REALIZZAZIONE .....................................22
9.1. WP-1 Management 23
9.2 WP-2 Mission Concept & requirements 25
9.3 WP-3 Mission analysis 32
2
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9.4 WP-4 Science & simulations 35
9.5 WP-5 Bus development 42
9.6 WP-6 Payload development 54
9.7 Sviluppo temporale 60
10. COSTO COMPLESSIVO DEL PROGETTO ...................................................................61
10.1. Cronoprogramma di Spesa 61
11. OUTPUT E RISULTATI ATTESI DALLA RICERCA .........................................................62
11.1. Interesse per l’avanzamento della Conoscenza 63
11.2. Eventuali Potenzialità Applicative 64
12. BIBLIOGRAFIA........................................................................................................65
13. APPENDICE A: CURRICULUM VITAE DEI COMPONENTI IL GRUPPO DI
COORDINAMENTO ............................................................................................................66
13.1 Dr. Simone Pirrotta .......................................................................................................................................................... 66
13.2 Prof. Dr. Luciano Burderi ............................................................................................................................................. 67
13.3 Prof. Dr. Alessandra Celletti ........................................................................................................................................ 68
14. APPENDICE B: CURRICULUM VITAE DEI RESPONSABILI DEI WORK PACKAGE ..........69
14.1 Prof. Dr. Fabrizio Fiore .................................................................................................................................................. 69
14.2 Prof. Dr. Tiziana Di Salvo .............................................................................................................................................. 70
14.3 Prof. Dr. Giovanni Amelino-Camelia ...................................................................................................................... 71
14.4 Dr. Claudio Labanti........................................................................................................................................................... 72
14.5 Prof. Dr. Michélle Lavagna ........................................................................................................................................... 74
15. APPENDICE C: LETTERE DI SUPPORTO AL PROGETTO .............................................76
15.1 Lettera del Prof. Dr. Lee Smolin, Perimeter Institute For Theoretical Physics, ............................ 76
15.2 Lettera del Prof. Dr. Carlo Rovelli, Centre de Physique Théorique, Université de Aix
Marseille, France .......................................................................................................................................................................... 77
16. APPENDICE D: LETTERE DI ENDORSEMENT DEGLI ENTI DI RICERCA PARTECIPANTI .78
Lettera Endorsement dall’INAF ........................................................................................................................................... 78
Lettera Endorsement dall’ INdAM ...................................................................................................................................... 79
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H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
1. Titolo del Progetto
H.E.R.M.E.S. Pathfinder - High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites: uno sciame
di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
2. Settore di Afferenza
PE - Physical Sciences and Engineering
PE1_16 Numerical analysis and scientific computing
PE1_18 Application of mathematics in sciences
PE2_1 Fundamental interactions and fields
PE7_7 Communication technology, high-frequency technology
PE8_1 Aerospace engineering
PE9_10 High energy and particles astronomy – X-rays, cosmic rays, gamma rays,
neutrinos
PE9_13 Gravitational astronomy
PE9_14 Cosmology
PE9_15 Space Sciences
PE9_17 Instrumentation - telescopes, detectors and techniques
3. Nome del Coordinatore del Progetto
Simone Pirrotta (ASI, Roma): coordinatore generale
Luciano Burderi (INAF, Cagliari): coordinatore INAF
Alessandra Celletti (INdAM, Roma): coordinatore INdAM
4. Elenco dei Partecipanti al progetto suddivisi per unità operative
La struttura organizzativa di questo progetto è evidenziata nella seguente. Con (*)
indichiamo i partecipanti sotto i 35 anni, con (**) indichiamo le partecipanti donne.
Partecipante Unità Operativa di afferenza Ruolo
Simone Pirrotta Agenzia Spaziale Italiana Coordinatore Generale
Responsabile di WP 1
Co-Responsabile di WP 5
Rita Carpentiero ** Agenzia Spaziale Italiana Responsabile di WP 1.2
Luciano Burderi INAF – Osservatorio di Cagliari Coordinatore INAF
Università di Cagliari
Alessandra Celletti ** INdAM Coordinatore IndAM
Università di Roma “Tor Vergata” Responsabile di WP 3
Fabrizio Fiore INAF – Osservatorio di Roma Responsabile di WP 2
Tiziana Di Salvo ** Università di Palermo Co-Responsabile di WP 4
Giovanni Amelino Università di Roma “La Sapienza” Co-Responsabile di WP 4
Camelia
4
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Michèle Lavagna ** Politecnico di Milano – Co-Responsabile di WP 5
Dipartimento di Scienze e
Tecnologie Aerospaziali
Claudio Labanti INAF-IASF-Bologna Responsabile di WP 6
Silvia Natalucci ** Agenzia Spaziale Italiana Membro del Team
Angela Bongiorno ** INAF – Osservatorio di Roma Membro del Team
Lucio Angelo Antonelli INAF – Osservatorio di Roma Membro del Team
Massimo Della Valle INAF – OAC Membro del Team
Salvatore Capozziello Università di Napoli Membro del Team
Mariafelicia De Laurentis Max Planck Institut Membro del Team
**
Giuseppe Pucacco Uni “Tor Vergata”, INdAM Membro del Team
Marco Feroci INAF- IAPS-Roma Membro del Team
Andrea Vacchi Università di Udine Membro del Team
Lorenzo Amati INAF-IASF-Bologna Membro del Team
Filippo Frontera Università di Ferrara Membro del Team
Piero Rosati Università di Ferrara Membro del Team
Piero Malcovati Università di Pavia Membro del Team
Giuseppe Baldazzi Università di Bologna Membro del Team
Mauro Fiorini INAF-IASF-Milano Membro del Team
Yuri Evangelista * INAF- IAPS-Roma Membro del Team
Giuseppe Bertuccio Politecnico Milano Membro del Team
Madi Ahangarianabhari Politecnico Milano Membro del Team
Fabio Fuschino INAF-IASF-Bologna Membro del Team
Riccardo Campana INAF-IASF-Bologna Membro del Team
Gianluigi Zampa INFN sezione di Trieste Membro del Team
Nicola Zampa INFN sezione di Trieste Membro del Team
Alexander Rachevski INFN sezione di Trieste Membro del Team
Alessandro Riggio Università di Cagliari Membro del Team
Andrea Sanna * Università di Cagliari Membro del Team
Fabiana Scarano * / ** Università di Cagliari Membro del Team
Rosario Iaria Università di Palermo Membro del Team
Angelo Gambino * Università di Palermo Membro del Team
Fillide Calderini INAF-OAR Membro del Team
Dafne Guetta ** INAF-OAR Membro del Team
Pietro Ubertini INAF-IAPS Membro del Team
Ettore Del Monte INAF-IAPS Membro del Team
Sergio Di Cosimo INAF-IAPS Membro del Team
Luigi Pacciani INAF-IAPS Membro del Team
Massimo Rapisarda INAF-IAPS Membro del Team
Alda Rubini ** INAF-IAPS Membro del Team
Alessio Di Salvo NEXT Membro del Team
Giovanni F. Gronchi Università di Pisa - INdAM Membro del Team
Michele Arzano * Università di Roma “La Sapienza” Membro del Team
Giacomo D'Amico * Università di Roma “La Sapienza” Membro del Team
Michelangelo Palmisano* Università di Roma “La Sapienza” Membro del Team
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H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
4.1. Collaborazione con Università ed Altri Enti di Ricerca
• Università di Udine
• Università di Cagliari
• Università di Ferrara
• Università di Palermo
• Università di Roma “La Sapienza”
• Università di Roma “Tor Vergata”
• Politecnico di Milano
• Politecnico di Milano - Polo di Como
• Università di Pavia
• Università di Bologna
4.2. Istituti INAF coinvolti nella collaborazione
• Osservatorio Astronomico di Roma
• Osservatorio Astronomico di Capodimonte
• INAF - IASF-Bologna
• INAF - IAPS-Roma
• INAF - IASF-Milano
• INFN - Sezione di Trieste
• Fondazione Bruno Kessler di Trento
4.3. Collaborazioni Internazionali
• Space Research Center, Graz (Austria)
• Academy of Athens, Atene (Grecia)
• University Al. I. Cuza, Iasi, Romania
• Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (USA)
• MPE (Germania)
• ESO
• IPAG (Francia)
• IRAM
4.4. Collaborazioni Industriali
• NEXT Ingegneria dei Sistemi, Roma
• Thales Alenia Space, Roma
• SITAEL
• IMT
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H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
5. Riassunto del progetto di ricerca
HERMES promette di essere un telescopio spaziale per alte energie (scintillatori
operanti nell’intervallo keV – Mev) costituito da un insieme modulare di Nano/Micro-
satelliti (circa 10 kg e almeno 100 cm2 di area ciascuno) in orbita (equatoriale) bassa,
con altissima risoluzione temporale (nanosecondi). Lo scopo primario dell’osservatorio
è di studiare fenomeni astrofisici nella banda delle alte energie, intensi (rapporto
segnale rumore >> 1), di breve durata (fino a frazioni di secondo), di norma non
ripetitivi quali i Gamma-Ray Bursts, le possibili controparti elettromagnetiche di onde
gravitazionali, generate da fenomeni di coalescenza di oggetti compatti, quali quelle
recentemente osservate dall’osservatorio LIGO, e le possibili controparti di alta energia
dei Fast Radio Burst, scoperti di recente, sono lampi nella banda radio che durano alcuni
millisecondi, di probabile origine extragalattica e/o cosmologica. Con questo tipo di
osservatorio un evento della durata di frazioni di secondo può essere localizzato in cielo
con una precisione inferiore al grado mediante triangolazione (ritardo dei tempi di
arrivo del segnale su diversi Nano/Micro-satelliti) grazie all’altissima risoluzione
temporale dei singoli rivelatori ed alla presenza di un insieme di rivelatori indipendenti.
Una novità assoluta nell’ambito delle missioni spaziali scientifiche è che l’osservatorio
HERMES può essere espanso nel corso degli anni grazie alla modularità del sistema
(ogni Nano/Micro-satellite è un rivelatore indipendente). Questo consente di
raggiungere aree di diversi m2, mai ottenute in questa banda di energie. Ulteriormente i
costi di assemblaggio e lancio dei singoli moduli (Nano/Micro-satelliti) sono
enormemente ridotti: HERMES potrebbe essere una delle missioni spaziali scientifiche a
più basso costo mai realizzate. Uno degli obiettivi più ambiziosi che il progetto si
propone è quello di indagare sulla possibile struttura granulare dello spazio-tempo,
ipotizzata da diverse teorie di Quantum Gravity (p.es. alcune String Theories, Quantum
Loop Gravity, etc.). In queste teorie la struttura granulare dello spazio determina una
legge di dispersione per i fotoni: fotoni ad alta energia viaggerebbero a velocità
leggermente inferiori alla velocità della luce. A causa delle minuscole dimensioni dei
grani di spazio e di tempo (10-33 cm e 10-44 s, rispettivamente) le differenze in velocità
sarebbero troppo piccole per una misura diretta in laboratorio ma emergerebbero da
ritardi nei tempi di arrivo (da qualche nanosecondo a centinaia di microsecondi) dei
Gamma-Ray Bursts in bande energetiche adiacenti (nell’intervallo di sensibilità di
HERMES), stante il fatto che i Gamma-Ray Bursts hanno viaggiato per distanze
comparabili al raggio dell’unverso visibile. Una rivelazione di questo tipo di
fenomenologia costituirebbe la prima spettacolare manifestazione sperimentale della
Gravità Quantistica, la grande teoria unificata che è il Santo Graal della Fisica Moderna. Il
rivelatore modulare che dovrebbe essere montato sui Nano/Micro-satelliti è costituito
da scintillatori accoppiati a Silicon Photo Multiplier (SiPM) or Silicon Drift Detector
(SDD) con risposta rapidissima (risoluzione temporale inferiore a 10 nanosecondi).
In questo progetto, denominato significativamente “HERMES Pathfinder”, viene
proposta una missione basata su piccoli satelliti, che sia il precursore tecnologico e
dimostrativo del principio su cui si basa l’investigazione scientifica attesa. Sebbene la
configurazione finale e completa preveda un numero di satelliti adeguato, pari ad
almeno qualche decina, necessari per raggiungere le accuratezze attese, gli scopi
dimostrativi e di validazione in orbita potranno essere raggiunti con la missione
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H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
“pathfinder”, che si basa su quattro nano-satelliti in opportune orbite ed in grado di
operare contemporaneamente per la rilevazione dei fenomeni oggetto della
osservazione. Successivamente, in caso di verifica positiva, la modularità e possibilità di
crescita incrementale della costellazione consentiranno di raggiungere gradualmente la
configurazione completa. In tal senso, i nano-satelliti si prefigurano come una
piattaforma ottimale ai fini della dimostrazione in orbita, in grado di consentire la
misura in ambiente e condizioni rappresentative, con tempi e costi di realizzazione
contenuti e compatibili con lo scenario globale. In tal senso, ASI ha già riconosciuto le
potenzialità del settore crescente del microspazio ed incorporato nei propri programmi
sviluppi e missioni su di esso basate. Inoltre, ASI utilizzerà il proprio ruolo istituzionale
e di rilievo nel settore per procurare opportunità di volo per questa missione negli anni
a venire (ad esempio, proponendolo come payload secondario nei lanci in programmi di
sviluppo, come il volo di qualifica del VEGA C previsto per la metà del 2019).
6. Parole chiave proposte
Nano/Micro Satelliti , Sciami di Satelliti, Gamma Ray Bursts, Quantum Gravity, Onde
Gravitazionali, Osservatori Astronomici Modulari, Gamma Ray Detectors.
7. Obiettivi che il progetto si propone di raggiungere
L’utilizzo dei piccoli satelliti come piattaforma per esperimenti scientifici e tecnologici in
orbita è uno strumento estremante versatile ed implementabile con risorse temporali ed
economiche contenute, la cui valenza è ormai largamente riconosciuta dall’Agenzia
Spaziale Italiana tanto da farne un asset importante delle proprie linee strategiche. Non
a caso, nel Piano Triennale di Attività 2016-2018 (deliberato dal Consiglio di
amministrazione nella seduta del 23 maggio 2016 con deliberazione n. 65/2016, in
corso di approvazione da parte del Ministero vigilante;), già nell’Executive Summary è
esplicitamente riportato che:
“Per i prossimi anni, con rinnovata attenzione al mantenimento della competitività del
comparto industriale nazionale, ai programmi in corso si affiancheranno diverse
iniziative innovative nei seguenti campi:
• piccoli satelliti ad alta tecnologia
• missioni scientifiche realizzabili con piattaforme di micro e/o mini satelliti e loro
costellazioni
• missioni/misure/strumenti di fisica astroparticellare e/o di fisica fondamentale
di nuova generazione”
In questo contesto, è stato concepito il progetto HERMES pathfinder , il cui obiettivo
principale è la dimostrazione della fattibilità scientifica e tecnologica di un esperimento
modulare di astrofisica delle alte energie volto a: 1) localizzare con precisione eventi
transienti nel cielo X come i Gamma Ray Bursts (GRB), una frazione dei quali potrebbe
essere connessa ad eventi di onde gravitazionali che potrebbero essere rivelati da
Advanced LIGO/VIRGO, e le possibili controparti di alta energia dei summenzionati Fast
Radio Burst; 2) investigare per la prima volta la struttura temporale fine di questi eventi
fino al microsec, cosa che permetterà di studiare in dettaglio il funzionamento del
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H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
motore centrale; 3) investigare la struttura granulare dello spazio-tempo utilizzando i
GRB come fari cosmologici.
Il Pathfinder tecnologico (HPT) sarà composto da quattro nano-satelliti, ciascuno dei
quali equipaggiato con un rivelatore sensibile ai raggi X duri (~50-300 keV). Gli obiettivi
scientifici finali di HPT sono:
1) Dimostrare la fattibilità della misura accurata (incertezza dell’ordine di 1-
10microsec) del ritardo temporale tra il segnali rivelati dai diversi rivelatori;
2) Dimostrare che utilizzando questi ritardi temporali si puo’ determinare la
posizione dei GRB con accuratezza di qualche grado nel caso di HPT, che può
essere poi portata a qualche arco-secondo nel caso di HERMES Costellazione
Completa (HCC);
3) Investigare per la prima volta la struttura temporale dei GRB fino al microsec.
Gli altri due scopi del progetto HERMES pathfinder sono quelli di finalizzare i requisiti e
il disegno di un secondo Pathfinder scientifico (HPS, composto da 10 satelliti) e della
Costellazione finale (composta da diverse decine di satelliti). Il disegno della
Costellazione finale sarà guidato dai risultati che saranno ottenuti durante lo sviluppo
ed il test di HPT e dagli studi di trade-off eseguiti nell’ambito del progetto HERMES
pathfinder. In particolare, saranno cruciali gli studi di trade-off tra l’area di raccolta del
singolo rivelatore, la banda di energia coperta, il peso di ciascun satellite e il numero
complessivo di satelliti. Studieremo quindi i vantaggi e gli svantaggi relativi a
costellazioni numerose di nano-satelliti semplici e leggeri, verso costellazioni meno
numerose di micro-satelliti più pesanti e più complessi, ma con maggiore area di
raccolta, banda di energia più ampia, e campo di vista più ampio.
7.1. Sviluppo di Competenze
La realizzazione di HPT e lo studio di HPS e della HERMES Costellazione Completa
permetteranno di mettere a sistema competenze oggi presenti singolarmente in
differenti realtà italiane e di farle crescere sinergicamente. Da un lato il progetto
HERMES pathfinder è guidato dall’Agenzia Spaziale Italiana, che ha una lunga tradizione
nello sviluppo del segmento spazio nell’ambito della ricerca, a partire dall’esperienza
maturata con la missione BeppoSAX e proseguita con il satellite AGILE. Dall’altro lato,
nel progetto HERMES pathfinder sono coinvolti da un lato gli scienziati leader in Italia e
nel mondo per la ricerca nel campo della gravità quantistica; gli scienziati che hanno
dato un contributo fondamentale alla scoperta dell’origine extragalattica dei GRB con
BeppoSAX e che hanno guidato molte ricerche in questo campo negli ultimi 20 anni;
scienziati che hanno realizzato elementi fondamentali degli strumenti a bordo di
BeppoSAX, INTEGRAL; scienziati leader nel campo della dinamica orbitale. Infine, il
progetto si avvale della collaborazione con centri di eccellenza per quanto riguarda
l’ingegneria di sistema e lo sviluppo di rivelatori come il Politecnico di Milano,
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali e Dipartimento di Elettronica
Informazione e Bioingegneria e l’Università di Trento, e importanti aziende italiane che
operano nel campo dei nano-satelliti, della componentistica, dello studio di missione,
come IMT, Aerea, SITAEL, FBK, NEXT, e start-up innovative come GP Advanced Projects .
Unire e mettere a sistema queste diverse competenze per la realizzazione di un sistema
modulare di nano/micro-satelliti per osservazione del cosmo servirà da un lato a dare
credibilità e a far lievitare i casi scientifici alla base del progetto HERMES pathfinder per
aumentare la competitività verso altri possibili fonti di finanziamento come l’ESA.
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H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
Dall’altro servirà da volano per far crescere il know-how in Italia in un segmento
strategico come quello dei nano/micro satelliti attualmente in espansione esponenziale.
7.2. Coinvolgimento di Soggetti Pubblici e Privati
Il progetto HERMES pathfinder coinvolge tre Enti di Ricerca (ASI, INAF, INdAM) oltre a
numerose Università Italiane distribuite su tutto il territorio nazionale. Il progetto
coinvolge a livello di consulenza e di collaborazione molte PMI italiane già attive nel
settore dei nano/micro-satelliti, della componentistica, dei rivelatori, dell’elettronica e
dello studio di missione (vedi sopra). Il progetto quindi realizza una sinergia virtuosa
tra Accademia, Istituti di Ricerca e imprenditoria privata, che è fondamentale per
rendere credibile e fattibile un progetto con forti radici sia scientifiche che tecnologiche
e per creare una robusta filiera nazionale
7.3. Attrazione degli Investimenti e sostenibilità finanziaria
Il progetto HERMES pathfinder servirà da volano per ottenere finanziamenti ed
investimenti da altre possibili fonti. In particolare, cercheremo di ottenere fondi
applicando a bandi della Commissione Europea nell’ambito del programma
Horizon2020, bandi e finanziamenti ESA dedicati a sviluppi tecnologici (GSTP gestiti da
ESA DTEC) oppure scientifici, ed infine bandi emessi da Regioni Italiane, ad esempio il
bando POR per AeroSpazio della regione Puglia. A questo fine, sono già in atto contatti
con PMI basate in Puglia, IMT e SITAEL, che si sono rese disponibili a collaborare al
progetto. .
7.4. Coinvolgimento di Giovani Ricercatori
Il progetto HERMES pathfinder è ideale per il coinvolgimento e il training di giovani
ricercatori, sia nel campo della fisica di base che nel campo della tecnologia e di quello
dell’ingegneria di sistema. L’approccio scelto, consistente nell’utilizzo di rivelatori e
nano/micro-satelliti distribuiti e relativamente semplici, permette di poter far seguire a
un giovane ricercatore molti se non tutti gli aspetti che vanno dagli obiettivi scientifici,
alla determinazione dei requisiti di missione, allo sviluppo dei rivelatori, all’analisi dei
dati. Questo è sostanzialmente impossibile nell’ambito dei grandi progetti tradizionali,
che per motivi di complessità e grandezza richiedono personale con specializzazioni
molto strette. HERMES pathfinder potrà permettere quindi di formare una generazione
di scienziati e ingegneri con competenze e interessi vasti e diversificati, offrendo loro
l’opportunità di un’esperienza diretta e completa di tutto il ciclo di vita di una missione
spaziale, dal suo concept fino alla realizzazione e attuazione, grazie allo snellimento dei
processi e all’abbassamento dei costi offerto dalla miniaturizzazione delle piattaforme
satellitari (e.g. nano/micro-satelliti). A questo fine, nell’ambito del progetto è previsto il
finanziamento di borse dottorato di ricerca ed RTD, nonché’ di favorire l’armonizzazione
tra mondo industriale e mondo della ricerca attraverso lo scambio di giovani scienziati e
ricercatori tra formati tra le realtà coinvolte nel progetto.
10H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
7.5 Team di programma e Governance
Il team di programma, afferente ai principali Enti proponenti ASI, INAF e IndAM ed agli
enti partner principalmente universitari, ha un elevato grado di omogeneità e di
complementarità di competenze ed è caratterizzata da un ottimo livello di esperienza
sebbene sia integrato da diversi giovani ricercatori. Una particolare attenzione è stata
anche rivolta alla presenza di ricercatrici, come è possibile desumere dai CV delle figure
chiave coinvolte, riportati in Appendice A.
A proposito della governance di programma, l’Agenzia Spaziale Italiana ha una lunga e
consolidata esperienza nella gestione di programmi per lo sviluppo di sistemi spaziali,
ed implementa al proprio interno i processi standard adottati nel settore spaziale, con
particolare riferimento alle linee guida contenute nelle European Coordination for Space
Standardization ECSS. Sarà quindi in grado di guidare lo sviluppo del progetto, secondo
la pianificazione proposta per lo stesso, con un approccio che internamente è
largamente consolidato. I diversi team partecipanti al progetto saranno coordinati in
modo da contribuire in modo efficace al raggiungimento degli obiettivi specifici e
collettivi. La gestione e la esecuzione del progetto verrà monitorata da un opportuno
Board costituito dai rappresentanti degli Enti che partecipano al progetto stesso, nonché
i responsabili dei Work Packages in cui si articolano le attività. Tale Board, il cui chair
sarà un rappresentante di ASI, sarà chiamato a guidare le review tecniche standard che
scandiscono i progetti spaziali (come dettagliato nel Cronoprogramma che segue). Per
avere un adeguato supporto tecnico addizionale e beneficiare di competenze specifiche,
il Board potrà coinvolgere in particolari fasi e/o alle review di avanzamento degli
esperti o tecnici afferenti alle proprie istituzioni ma esterni al progetto, che garantiscano
anche una necessario indipendenza e visione terza della implementazione dello stesso.
Gli uffici amministrativi dei tre Enti partecipanti supporteranno la gestione del progetto
per i loro ambiti di competenza, grazie alla loro esperienza consolidata nella gestione di
grandi progetti di ricerca nazionali ed internazionali, all’uso di strumenti di gestione
performanti atti a garantire la massima efficienza nella gestione del progetto,
contribuendo così al raggiungimento dei risultati prefissati.
7.6 Tempi certi ed obiettivi chiari
La tempista del progetto è dettata dalla volontà di sviluppare un sistema spaziale
completo rispondente agli obiettivi scientifici già ampiamente dettagliati e quantificati,
quindi chiaramente identificabili e misurabili sia nel corso del progetto che alla
conclusione dello stesso. Difatti, l’investigazione scientifica proposta, sebbene abbia
come finalità quella di validare il principio su cui si basa l’investigazione scientifica, è
caratterizzata da un set di misure caratteristiche ben delineate, il cui raggiungimento
fungerà da guida per la generazione dei requisiti di missione e poi di sistema.
Il cronoprogramma, riportato in Figura xxx della sezione 9.7, è impostato alla stessa
stregua di un progetto spaziale finalizzato ad un sistema completo, quindi è articolato
nelle tipiche Milestones (Mission Design Review, Preliminary Design Review, Critical
Design Review, Qualification/Acceptance Review), opportunamente cadenzate per
consentire un monitoraggio e controllo dello svolgimento armonizzato e tempestivo
delle attività. Un aspetto che sarà curato con particolare attenzione sarà la produzione di
documentazione, sia di natura scientifica che tecnica; difatti, considerata la volontà di
giungere ad elementi di volo da candidare per il volo, sarà necessario produrre quanto
11H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo richiesto da Data Package standard di satellite, da sottoporre successivamente alle Autorità di Lancio e di Safety, per le rispettive review ed accettazione. 7.7 Capacità amministrativa L’Agenzia Spaziale Italiana, capofila di questo progetto, ha da tempo istituito procedure basate su strumenti informatici al fine di snellire ed ottimizzare i propri processi amministrativi e di venire incontro alle esigenze di dematerializzazione richieste nell’ambito della Pubblica amministrazione. Buona parte dei processi interni sono quindi gestiti mediante questi strumenti innovativi, che rendono la gestione tecnica ed amministrativa altamente efficiente. Ad esempio, ad oggi la predisposizione di un Accordo Attuativo per la collaborazione con enti di ricerca e la sottomissione di istruttorie per il Consiglio di Amministrazione, con la relativa documentazione allegata da sottoporre a valutazione, sono guidate da un applicativo basato su Office Automation, che consente di monitorare il flusso della documentazione e delle approvazioni tra i vari uffici coinvolti. Il software Archimede, in uso largamente nell’ambito della pubblica amministrazione, è stato opportunamente adattato per le necessità di gestione di un programma o progetto in ambito spaziale e consente di monitorare la gestione in particolare delle review e di arrivare alla produzione autorizzazioni alla fatturazione, che poi viene gestita in altrettanto formato elettronico dagli uffici preposti. Un beneficio di questo approccio è già riscontrabile nella aumentata efficienza dei processi interni. 8. Stato dell’Arte Originalità ed innovazione dell’esperimento proposto i) Breve introduzione sulla fenomenologia e la fisica dei Gamma Ray Bursts I Gamma Ray Burst (GRBs) sono tra gli eventi più potenti nell’intero Universo. Se si assume emissione isotropa l’energia rilasciata puo’ raggiungere i 1054 erg, che corrispondono alla rest-mass del Sole (Bloom et al. 2009, ApJ, 691, 723), in circa 100s di durata. Anche se oggi sappiamo che uno forte beaming riduce il budget energetico tra due e tre ordini di magnitudine, questi eventi rimangono le esplosioni cosmiche più energetiche dopo il Big Bang. I GRB si dividono tra GRB corti (durata tipica qualche frazione di secondo e redshift tipicamente
H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
Energy Band (keV) Photon Fluxes (photons cm-2 s-1)
20 – 50 22.25
50 –100 22.19
100 – 300 43.04
300 – 1000 40.76
1000 – 2000 9.15
2000 – 5000 3.36
5000 –10000 0.89
Le curve di luce dei GRB sono caratterizzate da estrema variabilità, osservata fino al
millisecondo. Il meccanismo comunemente associato alla produzione di potenti e
ripetuti burst di fotoni X e Gamma di durata così corta è quello degli “shock interni”.
Sinteticamente, un motore centrale, costituito da un disco di accrescimento di materia
ultradensa (densità nucleare), attorno ad buco nero appena formato lancia un vento
ultrarelativistico e collimato. Questo, interagendo con materia stellare produce
l’accelerazione per pressione di radiazione di shells di materia che possono raggiungere
velocità prossime a quelle della luce (fattore di Lorentz ~100). Queste shells possono
avere velocità leggermente diverse le une dalle altre e quindi è possibile che una shell
che precede possa venire raggiunta da una che segue. Nell’impatto di generano shocks
che producono accelerazione di particelle (convertono l’energia cinetica di bulk delle
shell in energia delle particelle accelerate). La radiazione X e Gamma osservata è molto
probabilmente la radiazione di sincrotrone emessa da queste particelle accelerate in
presenza del campo magnetico associato alla materia stellare. In questo modello la
variabilità osservata nelle curve di luce riflette la struttura degli shock interni che a sua
volta riflette il funzionamento del motore centrale (il tasso di lancio di shell di materia a
velocità relativistica). Di conseguenza, dallo studio dei GRB si spera di ricavare
informazioni sul complesso motore centrale dei GRB, un sistema coinvolge fisica
estrema, impossibile da replicare in un laboratorio terrestre.
ii) Breve introduzione sulla localizzazione di transienti X
Esistono oggi due missioni dedicate alla ricerca e localizzazione di transienti nel cielo X:
la missione NASA SWIFT e la missione ESA INTEGRAL.
Swift e’ stato lanciato nel 2004 e porta a bordo la camera di grande campo (FOV) Burst
Alert Telescope (BAT), e i telescopi di piccolo campo X-ray Telescope (XRT) e UV-Optical
telescope (UVOT). I telescopi di piccolo campo ma grande sensibilità sono utilizzati per
osservazioni dettagliate dei transienti scoperti da BAT. Swift ha infatti l’unica capacità di
riorentarsi autonomamente e rapidamente per osservare sorgenti scoperte da BAT. BAT
è uno strumento a maschera codificata che lavora nella banda 10-150 keV con un campo
di vista ~1/6 di tutto il cielo e un’area di raccolta di ~0.5m2. L’incertezza sulle posizioni
fornite da BAT per sorgenti brillanti come i GRB sono dell’ordine di 3-10 arcmin, in
funzione della posizione nel campo di vista.
INTEGRAL è stato lanciato nel 2002 ed è equipaggiato con la camera di grande campo
IBIS, che lavora nella banda 10-150 keV, ha un campo di vista di ~1000deg2 e un’area di
raccolta di ~1m2. IBIS ha perciò un FOV più piccolo di quello di BAT ma una migliore
sensibilità, che permette la rivelazione di GRB più deboli. Inoltre, i rivelatori a
scintillazione che sono usati come anti-coincidenza dello strumento SPI possono anche
essere usati come “all sky monitor” per rivelare GRB, ma non hanno capacità di
localizzazione dell’evento.
13H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
Un terzo satellite NASA, Fermi, ospita a bordo un GRB monitor (senza capacità di
localizzazione degli eventi, il GBM) e uno strumento di grande campo LAT che lavora
nella banda 100MeV-100GeV che permette localizzazioni di eventi di alta energia con
errore dell’ordine del grado. La frazione di GRB che è rivelata dal LAT è però circa il 10%
del totale, limitando di molto le potenzialità di Fermi come monitor di transienti.
Swift e INTEGRAL stanno ancora lavorando in modo nominale dopo 12 e 14 anni dal
lancio rispettivamente. Il tempo di vita di entrambe le missione dovrebbe coprire
l’intervallo fino al 2025 o anche oltre. Gli strumenti e le componenti dei satelliti stanno
però invecchiando e non è chiaro se potranno sopravvivere oltre al 2025. D’altro conto, ci
sono almeno due importantissimi casi scientifici che richiedono un X-ray monitor
affidabile nella finestra 2020-2030 e oltre:
1. A partire dal 2017 Advanced LIGO/VIRGO forniranno posizioni di eventi di onde
gravitazionali con una accuratezza di 10-100deg2. Per gli eventi che seguono la
coalescenza di due stelle di neutroni, oppure una stella di neutroni e un buco nero,
è aspettato un segnale elettromagnetico in coincidenza con quello gravitazionale.
Un monitor X di grande campo è il sistema più efficiente per tenere sotto controllo
il cielo cercando le controparti elettromagnetiche degli eventi gravitazionali.
2. Nel 2028 ESA lancerà la missione L2 Athena, che avrà a bordo il più sensibile
telescopio X mai prodotto e lo strumento con la migliore risoluzione energetica
che abbia mai volato (XIFU). Uno degli obiettivi scientifici principali di Athena è
quello di effettuare osservazioni spettroscopiche ad alta risoluzione di GRB, con
due goal scientifici fondamentali. Il primo è quello di cercare l’elusiva componente
tiepida del mezzo intergalattico, tramite la rivelazione di righe deboli dell’OVII e
OVIII negli spettri dei GRB, che sono quindi usati come fari per illuminare il mezzo
intergalattico. Il secondo è quello di capire se i GRB di alto z sono il risultato
dell’implosione delle cosi dette stelle di popolazione terza (PopIII). Queste stelle
sono formate solo da idrogeno ed elio primordiali, e righe di altri metalli
eventualmente presenti negli spettri sono relative a sintesi dei metalli nelle stelle
stesse. Modelli di pattern aspettati di righe da PopIII stars possono discriminare
rispetto a stelle più evolute.
Una nuova generazione di monitor X è quindi indispensabile. E infatti molte missioni di
questo tipo sono state proposte sia a NASA che ad ESA per garantire che la ricerca e la
localizzazione di transienti sia efficiente nelle prossime decadi. HERMES offre un
complemento veloce e costo relativamente basso a missioni piu’ complesse, costose e
ambizioso, almeno per quanto concerne eventi brillanti.
I principali vantaggi di HERMES rispetto ad esperimenti di astrofisica delle alte energie
più convenzionali, sono
1. Modularità
2. Accuratezza del timing
3. Costo limitato e sviluppo veloce
Il primo permette: a) un approccio passo-passo che include lo sviluppo di un pathfinder
per come test di tecnologia e concetto (vedi WP2); evitare i così detti single point failure;
c) poter migliorare l’hardware nel corso del tempo. Il secondo permette ad HERMES di
aprire una finestra completamente nuova, quella del timing ad alta risoluzione (H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
iii) Breve introduzione alla Gravità Quantistica e allo spazio-tempo discreto
Alcune delle questioni più fondamentali della fisica troveranno solo risposta con
l’individuazione della corretta descrizione del regime detto della “gravità quantistica”,
ovvero il regime in cui sia effetti gravitazionali che effetti quantistici non sono
trascurabili. Sono infatti da descriversi in questo regime la nascita ed i primi istanti di
evoluzione dell’Universo e gli aspetti più significativi della fisica dei buchi neri. Gli sforzi
decennali tesi ad individuare questa teoria sono stati finora infruttuosi soprattutto per le
difficoltà che si incontrano sul fronte della verifica sperimentale. Sono stati proposti
numerosi modelli alternativi di come potrebbe essere formulata la gravità quantistica,
ma gli effetti predetti da questi modelli, nella stragrande maggioranza dei casi, sono
estremamente piccoli, tanto piccoli da renderne tecnologicamente impossibile la verifica
(o falsificazione).
Una eccezione a questo preoccupante quadro sul fronte osservativo è emersa in recenti
più dettagliate rielaborazioni di una proposta per la gravità quantistica già avviata
embrionalmente negli anni 60, da John Wheeler, uno dei padri fondatori della ricerca in
gravità quantistica. La tesi di Wheeler è che in regime di gravità quantistica l’attuale
descrizione dello spazio-tempo come entità di geometria continua (“Riemanniana”) vada
sostituita con un nuovo tipo di descrizione geometrica detta “schiuma spaziotemporale”,
caratterizzata dal tipo di granularità che è tipica dei regimi quantistici della fisica. Si è
recentemente notato che le formulazioni matematiche più soddisfacenti dell’idea di
schiuma spaziotemporale hanno effetti sulla velocità di propagazione delle particelle che,
pur essendo molto piccoli, possono essere sottoposti a verifica sperimentale con tecniche
osservative disponibili sin da adesso. La propagazione delle particelle nella schiuma
spaziotemporale risente di effetti per moti aspetti analoghi a quelli familiari per la
propagazione delle particelle in un mezzo materiale (come il famoso caso della velocità
della luce in acqua, che si osserva essere diversa dalla velocità della luce vuoto). Rispetto
alle proprietà note della propagazione delle particelle in mezzi materiali, i modelli attuali
della propagazione delle particelle nella schiuma spaziotemporale hanno una maggiore
articolazione di proprietà. In particolare, oltre agli effetti “longitudinali”, quelli appunto
che si verificano nella direzione di propagazione della particella e si manifestano come
correzione alla velocità, sono anche previsti degli effetti “trasversi”, effetti che si
verificano nelle direzioni ortogonali a quella di propagazione ed hanno implicazioni per
la direzione di osservazione delle particelle.
Per quanto concerne la grandezza di questi effetti l’aspettativa generale è che sia
caratterizzata da fattori adimensionali ottenuti come potenze del rapporto tra l’energia
della particella osservata e la scala di energia EQG caratteristica del regime di gravità
quantistica, ovvero fattori adimensionali del tipo (E/ EQG)a. Gli effetti sono molto piccoli a
causa del valore della scala EQG che si prevede essere molto elevato, non molto lontano
(al più 1 o 2 ordini di grandezza) dalla scala di energia naturale denominata “scala di
Planck” del valore di circa 1019 GeV (ottenuto come radice quadrata del prodotto della
costante di Planck con la quinta potenza della velocità della luce, diviso la costante di
Newton). E’ quindi possibile investigare sperimentalmente questa ipotesi solo quando si
osservano particelle che hanno avuto tempi di propagazione lunghissimi, lunghi
abbastanza da dar luogo ad un accumulo di effetti tale da compensare la piccolezza
intrinseca del singolo effetto su scala Planckiana. Per quanto concerne gli effetti
longitudinali l’analisi dei rilevanti modelli matematici è ad uno stadio più avanzato ed è
stata già raggiunta una descrizione soddisfacente del meccanismo che porta all’accumulo
di effetti per lunghi tempi di propagazione. Si trova che l’effetto longitudinale, quello che
introduce correzioni alla velocità, ha come manifestazione macroscopica principale una
15H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
differenza dei tempi di arrivo tra particelle di energia diversa emesse simultaneamente
da una sorgente astrofisica lontana del tipo
ΔtQG = ± (E/ EQG)a D(z)/c dove il segno dipende dal modello adottato così come dipende
dal modello adottato la potenza a, mentre la scala EQG deve essere determinata
sperimentalmente. La amplificazione fornita dai lunghi tempi di propagazione è implicita
nel fattore dipendente dal redshift D(z) che assumendo la validità del modello
cosmologico attualmente in uso
prende la forma:
D(z) = (c/H0) × ∫0 z dζ (1+z) /[ΩΛ+ ΩM (1+z)3]1/2,
dove H0 è la costante di Hubble, ΩΛ ed ΩM sono le densità di energia della energia oscura
e della materia. Per quanto concerne gli effetti trasversi l’analisi dei rilevanti modelli
matematici è ad uno stadio più preliminare. Le principali difficoltà teoriche risiedono
semplicemente nel fatto che per gli effetti trasversi si dovrebbe stimare un angolo e
quindi una grandezza adimensionale. Ciò non di meno rappresenterebbe un importante
contributo a questa area di ricerca stabilire dei limiti sperimentali agli effetti traversi
usando come riferimento una descrizione fenomenologica dell’angolo in questione
basata sulla formula
ΔtQG = ± (E/ EQG)b (E D(z)/c h)g
dove c ed h denotano anche qui rispettivamente la velocità della luce e la costante di
Planck, mentre b e g vanno determinati sperimentalmente. L’interesse generato negli
scorsi anni dalla fenomenologia della propagazione di particelle nella schiuma
spaziotemporale ha energizzato gli sforzi che per altri scenari di gravità quantistica
vengono diretti alla individuazione di effetti che ammettono verifica sperimentale. Tra
questi ancor più recenti sviluppi sono particolarmente significativi per HERMES gli studi
riportati da Rovelli e collaboratori sulla descrizione degli short GRB come “Planck stars”,
una classe di oggetti compatti le cui proprietà riceverebbero significativi
iii) Breve sommario di esperimenti di gravita’ quantistica effettuati con
osservazioni di GRB
E’ già stato osservato da numerose analisi come i GRB siano la classe di fenomeni
astrofisici più adatta alla investigazione delle proprietà delle particelle nella schiuma
spaziotemporale. Essi infatti forniscono elevati numeri di particelle emesse quasi
simultaneamente da una sorgente molto compatta e da distanze cosmologiche.
La quantificazione discussa sopra per gli effetti longitudinali della schiuma spazio-
temporale è già stata alla base di numerose analisi di dati di GRB, sfruttando
essenzialmente la possibilità di trovare il ΔtQG confrontando i tempi di osservazione delle
curve di luce dello stesso GRB in diversi intervalli di energia. I risultati di queste analisi
escludono già tutti i valori di a significativamente inferiori di 1, assumendo che
effettivamente EQG sia dell’ordine della scala di Planck. Negli scorsi anni la sfida
principale in questo settore è stata quindi rivolta principalmente al prossimo “milestone”
che sembra essere alla nostra portata, ovvero l’ipotesi che si abbia a=1 e la scala EQG sia
non lontana dalla scala di Planck. Prendendo come riferimento a=1, ed assumendo per
fini illustrativi che EQG corrisponda esattamente alla scala di Planck, nella tabella che
segue abbiamo calcolato i ritardi aspettati adottando un segno + nella formula per ΔtQG , e
due redshift, z = 0.9, and z =3, tipici di GRB, e adottando una cosmologia standard con
ΩΛ=0.73, ΩM=0.27, and h=0.71.
16H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
Energy Band (keV) ΔtQG for z = 0.9 (10-9 s) ΔtQG for z = 3.0 (10-9 s)
20 – 50 0 0
50 –100 2000 3000
100 – 300 3000 5000
300 – 1000 12000 19000
1000 – 2000 28000 45000
2000 – 5000 65000 104000
5000 –10000 421000 671000
Molti tentativi sono stati fatti per rivelare ritardi dei fotoni soft o hard tra burst presenti
nelle curve di luce dei GRB in bande differenti (see e.g. Abdo et al. 2009, Nature, 462, 331,
Amelino-Camelia et al. 2013, arXiv:1305.2626). Un limite di queste analisi ha origine
nella bassa statistica delle osservazioni fatte dal Fermi-LAT, il telescopio che finora ha
avuto il ruolo dominante per questi studi. Con bassa statistica (poche particelle usate
nell’analisi) sia la derivazione di limiti sugli effetti di interesse che la individuazione di
caratteristiche in accordo con quanto atteso con la schiuma spazio-temporale finiscono
inevitabilmente a doversi basare anche su delle assunzioni piuttosto forti sull’esatto
tempo di emissione (all’interno della, seppur breve, ricca sequenza di fasi temporali del
GRB) di una specifica particella. L’altro limite fondamentale è che si è scoperto che solo
una piccola minoranza dei GRB ha emissione anche ad energie dell’ordine del GeV (circa
il 10%). Risulterebbe quindi molto più efficiente una ricerca dei ritardi ad energie
minori, attorno a qualche centinaio di KeV, dove piccano gli spettri dei GRB. Questo però
implica dover campionare tempi scala molto più brevi (10000 volte più brevi che a 1
GeV), a parità di ΔtQG/ΔE. Purtroppo tutti gli strumenti che hanno effettuato osservazioni
di GRB nella banda dei raggi X duri non raggiungono una risoluzione temporale migliore
di qualche frazione di millisecondo, insufficiente per questi studi. HERMES può fornire la
chiave per effettuare in maniera efficiente questi esperimenti.
Per quanto concerne gli effetti trasversi della schiuma spazio-temporale lo sforzo
fenomenologico è ancora in fase di impostazione, sia perché, come menzionato sopra, la
modellizzazione teorica non è matura, sia perché la posizione nel cielo di un GRB (la
direzione di provenienza del segnale) viene determinata dal Fermi-LAT con precisione
non migliore di qualche grado
iv) Payload: Originalità ed innovazione del detector proposto
La richiesta di rivelare efficacemente raggi X e gamma con tempi di risoluzione del
nanosecondo in un ampio range che si estenda dalla decine di keV alla decina di MeV e
con buone capacità spettroscopiche è una sfida per il design del sistema [Marisaldi 2008,
Fuschino 2016].
Questi requisiti sono certamente priorità di punta dei grossi esperimenti di fisica
nucleare a terra, cosi come in molti apparati di diagnosi medica; parecchi laboratori
profondono sforzi nella ricerca di nuovi materiali e componenti che possano soddisfare
queste richieste.
Se un detector con tali caratteristiche ambiziose deve inoltre operare nell’ostile ambiente
spaziale, ulteriori requisiti si aggiungono ai precedenti [Owens 2008], come ad esempio
la stabilità rispetto alle variazioni delle condizioni ambientali (temperatura, campo
magnetico etc), la robustezza meccanica, la resistenza alla radiazione, l'abilità nel
discriminare i depositi di energia da particelle rispetto alla radiazione EM. Tutto questo
17H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
inoltre deve soddisfare un budget ridottissimo di potenza, peso e spazio disponibile
tipico di un nano-satellite.
L’originalità e l’unicità della proposta consistono nell’affrontare sinergicamente l'insieme
di queste tematiche nel contesto di un esperimento concepito attorno all'utilizzo di uno
sciame di nano-satelliti che devono operare congiuntamente sullo stesso evento cosmico.
L’idea è di usare materiali e componenti allo stato dell’arte, combinati in un design che
possa soddisfare gli obiettivi del progetto.
Il cuore del payload sarà quindi costituito da un insieme di rivelatori di raggi X e gamma
con le seguenti caratteristiche:
a) ampio range operativo (requirement 50-300 keV, goal 5 keV ÷ 30 MeV)
b) risoluzione temporale nel range dei nanosecondi (goal 10 ns)
a) buone capacità spettroscopiche (ΔE/E di pochi percento ad 1 MeV)
c) compatto e di disegno robusto
d) a basso consumo di potenza
Baseline per il disegno del detector
La rivelazione di radiazione EM sopra i 30 keV è ottenuta con un processo a due stadi che
converte l’energia del fotone in luce visibile prodotta da un materiale scintillante; la luce
è poi raccolta e convertita in carica elettrica in uno o più foto-rivelatori.
I foto-rivelatori stessi, come discusso in dettaglio nel seguito, sono rivelatori basati sul
Silicio semiconduttore inversamente polarizzati disegnati per essere anche ottimi
rivelatori diretti di radiazione X soffice sotto i 30 keV.
La discriminazione tra i due tipi di segnale è demandata all’elettronica di processamento
del segnale sfruttando la tecnica del Pulse Shaping Discrimination [Perotti 2008].
Per estrarre il più accuratamente possibile l’informazione sul tempo di occorrenza
dell’evento di radiazione rivelato e sulla sua energia, sia lo scintillatore che il foto-
rivelatore devono avere una risposta rapida e basso rumore. Per quanto concerne il
cristallo scintillatore, sia la conversione di energia in fotoni nella banda del visibile che la
raccolta degli stessi sul foto-rivelatore sono soggetti ad effetti statistici, la cui incertezza
ha effetti sull’accuratezza nella determinazione del tempo di arrivo del segnale,
specialmente nel caso di basse intensità. Le chiavi per minimizzare questa incertezza
statistica risiedono, per quanto riguarda lo scintillatore, in una alto light output, ossia il
rendimento nella trasformazione dell’energia del fotone X o gamma assorbito in fotoni di
luce visibile, e per il foto-rivelatore in un alto guadagno intrinseco e/o in un basso
rumore intrinseco.
Un ideale rivelatore dovrebbe quindi prevedere l’utilizzo di :
1. un materiale scintillatore
a. con alta efficienza nell’intero range operativo.
b. con un rapido tempo di decadimento della luce di scintillazione
2. un foto-rivelatore
a. a risposta rapida
b. alto guadagno
c. basso rumore
d. alta efficienza quantica nella banda delle lunghezze d’onda della luce di
scintillazione.
18H.E.R.M.E.S. Pathfinder: uno sciame di satelliti per sondare la struttura dello Spazio-Tempo
Scintillatore Nella tabella sono illustrate le principali caratteristiche dei alcuni materiali
scintillatori attualmente disponibili e potenzialmente interessanti.
LaBr3(Ce) GAFG GAGG(Ce) La-GPS(Ce)
Density (g/cm3) 5.30 6.7 6.63 5.3
Zeff 46 52 52 44
Decay time (ns) 20 50 92f – 174s 60
Photons/keV 60 50 56 40
Wavelength peak (nm) 380 520 520 390
Energy Resolution 2.8 5 5-6 5-6
(662keV FWHM)[%]
Hygroscopic Yes No No No
Intrinsic background High No No Slightly
Uno scintillatore con alto photon yield, rapido tempo di decadimento ed un alto stopping
power è la combinazione desiderata. Caratteristiche come l’indice di rifrazione e la
lunghezza d'onda del picco di emissione giocano un ruolo per assicurare la compatibilità
tra scintillatore e foto-rivelatore. Il LaBr3 sembra essere il miglior candidato ma è fragile,
altamente igroscopico e pare avere la tendenza a produrre cracks se cresciuto in cristalli
di media/larga dimensione. Altri cristalli che mostrano caratteristiche interessanti quali
GAFG, GAGG saranno considerati per questo progetto e valutati per la scelta del design
finale del detector.
Foto-rivelatore Il foto-rivelatore che converte la luce di scintillazione in un segnale
elettrico deve essere efficiente, rapido, lineare nella risposta, a basso rumore intrinseco,
insensibile alle condizioni ambientali e possibilmente poco costoso. Un singolo
dispositivo che presenti insieme tutte queste caratteristiche probabilmente non esiste al
momento. Nonostante i moderni tubi fotomoltiplicatori (PMT) possano vantare
parecchie delle caratteristiche richieste, non sono forse la scelta ottimale in quanto
richiedono un'alta tensione operativa e presentano una certa sensibilità all’ambiente
(campo magnetico) che richiede una cura particolare per il loro uso.
La tabella mostra un confronto di alcune delle caratteristiche di base di alcuni foto-
rivelatori tradizionali e a stato solido utilizzati per la lettura di scintillatori.
PMT SiPM Si-SDD
Gain ~106 ~106 1
Rise time [ns] ~1 ~1 ~ 1000
QE (@ 500nm) ~ 0.25 0.25÷0.75 ~ 0.8
Bias [V] ~ 1000 ~ 100 ~ 200
Sensitive area cm2 mm2 mm2
Dark counts/mm2/sec Few ~106 Few
Magnetic field sensitive. yes no No
Gain variation with temp > 0.01 0.01÷0.1
(Δg/g/°C)
Un foto-rivelatore a stato solido sembra essere più conveniente nel quadro di questo
progetto. Quella che segue è una sorta di "tavola della verità" che riassume e valuta le
principali caratteristiche di due dispositivi, il Silicon Photomultiplier (SiPM) ed il Silicon
Drift Detector (SDD).
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