Expectations and perspectives of X-ray photoelectric polarimetry

Polarimetry is the last unexplored branch of X-ray Astronomy. Despite a wide interest proved by an extended literature, its development has suffered the lack of instruments which could assure a sufficient sensitivity to justify the inclusion of X-ray polarimeters on-board modern missions. Nevertheless new devices based on photoelectric absorption, which are able to image the track of photoelectrons in a gas mixture, offer today the possibility to fill the gap between theoretical expectations and the current meagre results: in this regard, one of the most advanced project is the GPD (Gas Pixel Detector), developed in Italy by INFN of Pisa and INAF/IASF of Rome. This work of thesis contributed to the use of the GPD on-board future space missions from different points of view. The response of the instrument to polarized radiation at a few keV, namely in the energy range of maximum sensitivity, was measured thanks to a calibration source based on Bragg diffraction at nearly 45 degrees. This source, together with radioactive unpolarized sources and X-ray tubes, were also interfaced with a mechanical assembly which was designed and built allowing for the movement, the inclination and the rotation of the instrument with respect to the incident beam. This makes available a facility for the complete characterization of the GPD (and other instruments) and the first and preliminary systematic measurements of calibration are presented. I also derive the scientific performances of the GPD when the instrument is placed in the focal plane of realistic X-ray telescopes planned for future missions, such as PolariX or IXO, and discuss some further applications of the GPD and of the photoelectric polarimeters in general. In particular the possible use of these devices as large field of view instruments or at energies up to tens of keV are presented.

La polarimetria è l'ultima branca dell'Astronomia nella banda dei raggi X ancora inesplorata. Nonostante un vasto interesse testimoniato da un'estesa letteratura, il suo sviluppo è stato impedito dalla mancanza di dispositivi la cui sensibilità giustificasse l'inserimento di polarimetri X a bordo delle missioni spaziali moderne. Ciononostante nuovi strumenti basati sull'effetto fotoelettrico, capaci di risolvere le tracce dei fotoelettroni in un gas, offrono oggi la possibilità di colmare il divario tra aspettative teoriche e gli scarsi risultati ad oggi raggiunti: in questo ambito, uno dei progetti più avanzati è il Gas Pixel Detector (GPD), sviluppato in Italia dall'INFN di Pisa e dall'INAF/IASF di Roma. Questa tesi ha contribuito dell'inserimento del GPD a bordo delle prossime missioni in differenti aspetti. Innanzitutto è stata misurata la risposta dello strumento a radiazione polarizzata di alcuni keV, ovvero nell'intervallo energetico di massima sensibilità, grazie ad una sorgente di calibrazione basata sulla diffrazione di Bragg a circa 45 gradi. Quest'ultima, insieme a sorgenti radioattive e a tubi a raggi X, è stata montata su un sistema meccanico, progettato e costruito in modo tale che lo strumento in esame potesse essere spostato, inclinato e ruotato rispetto al fascio incidente. Questo rende disponibile una struttura per la completa caratterizzazione del GPD (e di altri strumenti): prime e preliminari misure di calibrazione sono state effettuate grazie ad essa e sono di seguito presentate. Infine ho calcolato la sensibilità del GPD nel caso in cui esso sia posto nel piano focale di telescopi progettati per le prossime missioni spaziali, come PolariX e IXO, e ho discusso ulteriori applicazioni del GPD e dei polarimetri fotoelettrici in generale. In particolare, sono presentati il possibile utilizzo di questi dispositivi come strumenti a grande campo di vista o e quello come rivelatori sensibili fino ad energie di decine di keV.