L’esperimento Polar installato sulla Stazione spaziale cinese TiangGong-2, lanciato il 15 settembre 2016. La luce verde incandescente imita la luce che si genera quando un fotone gamma colpisce una delle 1.600 barre di scintillazione. L’immagine artistica si basa su una fotografia scattata da un fotocamera posizionata a diversi metri dietro Polar. Crediti: Institute of High Energy Physics
Durante la formazione di un buco nero, si generano brillanti lampi di raggi gamma denominati Gamma ray burst (Grb), governati da processi che coinvolgono molti dei campi ad oggi meno conosciuti della fisica: ambienti caratterizzati da temperature estreme e accelerazioni di particelle che vanno ben oltre l’energia prodotta nei più potenti acceleratori presenti sulla Terra. Per analizzare questi lampi di raggi gamma, i ricercatori dell’Università di Ginevra, in collaborazione con il Paul Scherrer Institute (Psi) di Villigen, in Svizzera, l’Istituto di fisica delle alte energie a Pechino e il Centro nazionale per la ricerca nucleare di Swierk in Polonia, hanno costruito Polar, uno strumento installato nel 2016 sulla stazione spaziale cinese Tiangong 2, con l’obiettivo di studiare i Grb. Contrariamente a quanto previsto dalle teorie attuali, i primi risultati di Polar rivelano che i fotoni ad alta energia provenienti dai Grb non sono né completamente caotici, né completamente organizzati, bensì sono una combinazione dei due stati: entro tempi brevi, i fotoni oscillano nella stessa direzione, ma la direzione dell’oscillazione cambia nel tempo. Questi risultati inaspettati sono stati riportati rivista Nature Astronomy.
Ma allora, l’ambiente in cui nascono i buchi neri è ordinato oppure caotico? Come e dove vengono prodotti i Grb è ancora un mistero. Esistono due diverse scuole di pensiero sulla loro origine. La prima prevede che i fotoni dei Grb siano polarizzati, il che significa che la maggior parte di essi oscilla nella stessa direzione. Se così fosse, la fonte dei fotoni probabilmente sarebbe un campo magnetico forte e ben organizzato, formatosi in conseguenza alla nascita del buco nero. La seconda teoria suggerisce che i fotoni non siano polarizzati, il che implicherebbe un ambiente di emissione più caotico. Come possiamo capire quale delle due ipotesi è quella giusta?
«I nostri gruppi di ricerca internazionali hanno costruito Polar, il primo potente rivelatore in grado di misurare la polarizzazione dei Grb. Questo strumento ci permette di saperne di più sulla loro origine», afferma Xin Wu, professore nel Dipartimento di fisica nucleare e delle particelle dell’Università di Ginevra. «Il suo sistema di funzionamento è piuttosto semplice: è un quadrato di 50×50 centimetri quadrati composto da 1600 barre di scintillatore, nelle quali i raggi gamma si scontrano con gli atomi che compongono le barre stesse. Siamo in grado di misurare un fotone che collide in una barra, che successivamente può produrre un secondo fotone il quale può causare una seconda collisione altrettanto visibile. Se i fotoni sono polarizzati, osserviamo una dipendenza direzionale tra le posizioni nelle quali si verifica l’impatto dei fotoni», continua Nicolas Produit, ricercatore presso il Dipartimento di astronomia dell’Università di Ginevra. «Al contrario, se non c’è polarizzazione, il secondo fotone risultante dalla prima collisione partirà in una direzione completamente casuale».
In sei mesi, Polar ha rivelato 55 Grb e gli scienziati hanno studiato la polarizzazione dei cinque più luminosi. I risultati sono a dir poco sorprendenti. «Quando analizziamo la polarizzazione dei Grb nel suo insieme, vediamo al più una polarizzazione molto debole, che sembra chiaramente favorire varie teorie», afferma Merlin Kole, anch’egli dell’Università di Ginevra e coautore dell’articolo. Di fronte a questo primo risultato, gli scienziati hanno analizzato più dettagliatamente un potentissimo Grb della durata di 9 secondi, dividendolo in intervalli temporali distinti di 2 secondi ciascuno. «Sorprendentemente, abbiamo scoperto che in questi intervalli temporali i fotoni sono polarizzati, con una direzione di polarizzazione diversa in ogni intervallo!» riferisce Xin Wu, entusiasta. È questo cambiamento nella direzione della polarizzazione che fa apparire il Grb nel complesso molto caotico e non polarizzato. «I risultati mostrano che mentre ha luogo l’esplosione, succede qualcosa che fa emettere i fotoni con una diversa direzione di polarizzazione, ma non abbiamo idea di cosa potrebbe essere», continua Merlin Kole.
Con questi primi risultati, i teorici devono misurarsi con nuovi elementi che richiedono loro di produrre previsioni più dettagliate. «Ora vogliamo costruire Polar 2, che sarà più grande e più preciso, con il quale potremo scavare più a fondo in questi processi caotici, per scoprire finalmente la fonte dei Grb e svelare il mistero di questi processi fisici altamente energetici», spiega Nicolas Produit.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Detailed polarization measurements of the prompt emission of five gamma-ray bursts” di Shuang-Nan Zhang et al.