Diffuse gamma-ray emission observed by the Fermi Large Area Telescope: massive stars, cosmic rays and the census of the interstellar medium in the Galaxy

L’emissione gamma Galattica diffusa è prodotta dalle interazioni dei raggi cosmici con il gas e I campi di radiazione di bassa energia nello spazio interstellare. Essa costituisce la componente più brillante del cielo gamma ad alte energie, osservato dal 2008 con una sensibilità e una risoluzione angolare senza precedenti dal Large Area Telescope (LAT) a bordo del telescopio spaziale Fermi . L’emissione Galattica diffusa costituisce non solo un fondo intenso e strutturato che è necessario modellare per studiare le sorgenti gamma individuali e le componenti diffuse più deboli, ma anche un mezzo per sondare l’ambiente interstellare della Via Lattea. In questa tesi si riportano alcuni studi delle osservazioni gamma del LAT per regioni selezionate della Galassia locale ed esterna. I dati del LAT sono confrontati con traccianti multifrequenza del mezzo interstellare, tra cui righe radio e millimetriche del gas e emissione e estinzione dovute alle polveri. L’impatto dello spessore ottico dell’idrogeno atomico, spesso trascurato in passato, è esaminato con cura e identificato allo stato attuale come la principale sorgente di incertezza nell’interpretazione delle osservazioni. Da un lato si discutono i vincoli dati dall’emissione gamma sul censimento del gas interstellare. Il rapporto Xco= N(H2) /Wco è determinato per varie nubi: non si osserva un gradiente significativo nel disco Galattico su una distanza di 3.5 kpc in raggio Galattocentrico, ma si evidenziano variazioni di un fattore <2 per le nubi locali. L’emissione gamma mette in evidenza in tutte le regioni studiate una fase oscura del gas interstellare che non brilla alle lunghezze d’onda radio o millimetriche, la cui massa rappresenta circa il 50% di quella tracciata dal CO; l’origine dell’emissione gamma da parte di gas oscuro è dimostrata dalla prima misura mai effettuata del suo spettro, che risulta ben correlato a quello dell’idrogeno atomico. Dall’altro lato l’emissività per atomo di idrogeno serve per tracciare la distribuzione dei raggi cosmici in regioni lontane non accessibili con misure dirette. Mentre l’emissività locale risulta consistente con lo spettro dei raggi cosmici misurato in prossimità della Terra, non si osserva nessuna diminuzione significativa nella Galassia esterna malgrado il rapido decremento nella densità delle sorgenti putative di raggi cosmici. Le implicazioni per la loro origine e propagazione sono discusse in dettaglio. I nostri modelli riproducono i dati del LAT nella maggior parte delle regioni considerate. Si rivela un eccesso esteso di emissione gamma dura nei 100 pc centrali della regione attiva di formazione stellare del Cigno. La “bolla” gamma riempie una cavità ionizzata, che apparentemente si estende dall’ammasso di stelle massicce Cyg OB2 in direzione del resto di supernova gamma Cygni, e suggerisce la presenza di un eccesso di particelle di alta energia rispetto alle nubi che la circondano. I possibili meccanismi di accelerazione alla sua origine sono esaminati anche in riferimento all’associazione con emissione gamma al TeV rivelata da Milagro.