Rappresentazione artistica di un getto relativistico di un lampo di raggi gamma (Grb), originato da una stella che sta collassando ed emette fotoni ad altissima energia. Crediti: Desy, Science Communication Lab
Grazie a Hess (High Energy Stereoscopic System, un sistema di cinque telescopi a effetto Čerenkov per lo studio dei raggi gamma tra 100 GeV e 100 TeV, in Namibia), gli scienziati hanno catturato il lampo gamma (Grb, Gamma Ray Burst) più lungo ed energetico finora registrato. Lo studio, pubblicato su Science, mette in dubbio l’ipotesi, che sembrava consolidata, di come in queste colossali esplosioni stellari vengono prodotti i raggi gamma. «I Gamma Ray Burst sono lampi luminosi di raggi X e gamma osservati nel cielo, emessi da lontane sorgenti extragalattiche», spiega Sylvia Zhu, scienziata di Desy e coautrice dello studio. «Sono le più grandi esplosioni nell’universo e sono associate al collasso di una stella massiccia in rapida rotazione in un buco nero. Una frazione dell’energia gravitazionale liberata alimenta la produzione di un’onda d’urto ultrarelativistica. La loro emissione è suddivisa in due fasi distinte: una prima fase caotica e tempestiva della durata di decine di secondi, seguita da una fase di post-luminescenza di lunga durata che si attenua gradualmente».
Il 29 agosto 2019, i satelliti Fermi e Swift hanno rilevato un lampo di raggi gamma nella costellazione Eridano. L’evento, catalogato come Grb 190829A in base alla data in cui si è verificato, si è rivelato essere uno dei lampi gamma più vicini osservati finora, a una distanza di circa un miliardo di anni luce. Gli scienziati hanno catturato il bagliore dell’esplosione non appena è diventato visibile a Hess: «Quando si è verificato questo lampo gamma, eravamo seduti in prima fila», racconta Andrew Taylor.
I raggi X del Grb sono stati rilevati dal satellite Swift della Nasa, in orbita terrestre. I raggi gamma ad altissima energia sono entrati nell’atmosfera e hanno generato una cascata rilevata da Hess (impressione artistica). Crediti: Desy, Science Communication Lab
La distanza relativamente breve di questo lampo di raggi gamma ha permesso misurazioni dettagliate dello spettro del bagliore residuo, ossia della distribuzione dei “colori” o energie dei fotoni della radiazione, nell’intervallo di energia molto elevato. «Potremmo determinare lo spettro del Grb 190829A fino a un’energia di 3.3 tera-elettronvolt, che è circa mille miliardi di volte più energetico dei fotoni della luce visibile», spiega Edna Ruiz-Velasco, coautrice del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg. «Questo è ciò che rende così eccezionale questo lampo di raggi gamma: è successo nel nostro cortile cosmico, dove i fotoni ad altissima energia non sono stati assorbiti nelle collisioni con la radiazione di fondo nel loro cammino verso la Terra, come accade su distanze maggiori nel cosmo».
I ricercatori hanno osservato questo bagliore fino a tre giorni dopo l’esplosione iniziale e il risultato è stato sorprendente: «Le nostre osservazioni hanno rivelato curiose somiglianze tra i raggi X e l’emissione di raggi gamma ad altissima energia del bagliore residuo dell’esplosione», riferisce Zhu. Le teorie consolidate presumono che le due componenti di emissione debbano essere prodotte da meccanismi separati: la componente a raggi X proviene da elettroni ultraveloci che vengono deviati dai forti campi magnetici dell’ambiente circostante il burst. Questo processo di sincrotrone è abbastanza simile al modo in cui gli acceleratori di particelle sulla Terra producono raggi X luminosi per le indagini scientifiche.
Secondo le teorie esistenti, sembrava molto improbabile che anche le esplosioni più potenti nell’universo potessero accelerare gli elettroni abbastanza da produrre direttamente i raggi gamma ad altissima energia osservati, per via di un “limite di burn-off“, determinato dall’equilibrio tra accelerazione e raffreddamento delle particelle all’interno di un acceleratore. La produzione di raggi gamma ad altissima energia richiede elettroni con energie ben oltre il limite di burn-off. Queste teorie presumono che in un lampo gamma gli elettroni veloci entrino in collisione con i fotoni di sincrotrone e quindi li elevino alle energie dei raggi gamma in un processo chiamato synchrotron self-Compton.
Rappresentazione artistica di fotoni ad altissima energia provenienti da un Grb che entrano nell’atmosfera terrestre e generano gli sciami che vengono registrati dai telescopi di Hess Crediti: Desy, Science Communication Lab
Tuttavia, le osservazioni del bagliore residuo di Grb 190829A mostrano che entrambi i componenti, raggi X e gamma, sbiadiscono contemporaneamente. Inoltre, lo spettro dei raggi gamma corrisponde a un’estrapolazione dello spettro dei raggi X. Insieme, questi risultati sono una forte indicazione che i raggi X e i raggi gamma ad altissima energia in questo lampo sono stati prodotti dallo stesso meccanismo. «È piuttosto inaspettato osservare caratteristiche spettrali e temporali così notevolmente simili nelle bande di energia dei raggi X e gamma ad altissima energia, se l’emissione in queste due gamme di energia avesse origini diverse», afferma Dmitry Khangulyan, coautore della Rikkyo University di Tokyo. Questo fatto pone una sfida per l’origine dell’emissione di raggi gamma ad altissima energia.
L’implicazione di vasta portata di questa scoperta evidenzia la necessità di ulteriori studi sull’emissione di post-luminescenza dei Grb ad altissima energia. Grb 190829A è solo il quarto lampo gamma rilevato a energie molto elevate da Terra. Tuttavia, le esplosioni rilevate in precedenza si sono verificate molto più lontano nel cosmo e il loro bagliore residuo è stato osservato solo per poche ore ciascuna e non a energie superiori a 1 TeV. «Guardando al futuro, le prospettive per il rilevamento di lampi gamma da parte di strumenti di prossima generazione come il Cherenkov Telescope Array – attualmente in costruzione nelle Ande cilene e sull’isola delle Canarie di La Palma – sembrano promettenti», afferma Stefan Wagner, portavoce di Hess del Landessternwarte di Heidelberg. «L’abbondanza di lampi gamma ci porta ad aspettarci che regolari rilevamenti nella banda di energia molto alta diventino piuttosto comuni, aiutandoci a comprendere appieno la loro fisica».
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow” della H.E.S.S. collaboration