I lampi radio veloci – in inglese fast radio burst (Frb) – sono brevi e brillanti esplosioni di onde radio emesse da oggetti estremamente compatti, come stelle di neutroni e forse buchi neri. Questi fugaci fuochi d’artificio durano appena un millesimo di secondo e possono trasportare un’enorme quantità di energia, sufficiente a sovrastare la luminosità di intere galassie. Da quando è stato scoperto il primo fast radio burst nel 2007, gli astronomi ne hanno rilevati migliaia, la cui posizione varia dall’interno della Galassia fino a 8 miliardi di anni luce di distanza. Nonostante ne siano stati scoperti così tanti, il modo in cui avvengono è ancora oggetto di diatribe.
Ora, gli astronomi del Massachusetts Institute of Technology (Mit) hanno individuato le origini di almeno un fast radio burst utilizzando una tecnica innovativa che potrebbe risultare promettente anche per altri Frb. Nel nuovo studio, pubblicato il primo gennaio sulla rivista Nature, il team si è concentrato su Frb 20221022A, un fast radio burst già conosciuto e rilevato in una galassia distante circa 200 milioni di anni luce.
Il Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (Chime), un radiotelescopio interferometrico situato presso il Dominion Radio Astrophysical Observatory nella Columbia Britannica, in Canada. Crediti: Chime
In particolare, il team si è focalizzato sulla determinazione della posizione precisa del segnale radio analizzando la sua scintillazione, un fenomeno simile a quello per cui le stelle sembrano sfavillare nel cielo notturno. Gli scienziati hanno studiato le variazioni di luminosità dell’Frb e hanno stabilito che il burst deve aver avuto origine nelle immediate vicinanze della sorgente, piuttosto che molto più lontano, come previsto da alcuni modelli.
Il team stima che Frb 20221022A sia esploso da una regione estremamente vicina a una stella di neutroni rotante, a una distanza massima di 10mila chilometri, meno della distanza tra New York e Singapore. A distanza così ravvicinata, l’esplosione è probabilmente emersa dalla magnetosfera della stella di neutroni, una regione altamente magnetica che circonda la stella ultracompatta. «In questi ambienti delle stelle di neutroni, i campi magnetici sono davvero ai limiti di ciò che l’universo può produrre», spiega Kenzie Nimmo del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, primo autore dello studio. «Si è molto discusso sul fatto che questa emissione radio luminosa possa anche solo sfuggire da quel plasma estremo».
«Intorno a queste stelle di neutroni altamente magnetiche, note anche come magnetar, gli atomi non possono esistere: verrebbero semplicemente fatti a pezzi dai campi magnetici», spiega Kiyoshi Masui, professore associato di fisica al Mit. «La cosa eccitante è che abbiamo scoperto che l’energia immagazzinata in quei campi magnetici, vicino alla sorgente, si sta torcendo e riconfigurando in modo tale da poter essere rilasciata sotto forma di onde radio che possiamo vedere attraverso l’universo».
I rilevamenti di lampi radio veloci sono aumentati negli ultimi anni grazie al Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (Chime). L’array di radiotelescopi comprende quattro grandi semi-cilindri di 100 x 20 metri su cui sono installati 1024 ricevitori radio a doppia polarizzazione sensibili alle frequenze tra 400-800 MHz. Dal 2020, Chime ha rilevato migliaia di Frb provenienti da tutto l’universo.
Sebbene gli scienziati siano generalmente d’accordo sul fatto che i burst provengano da oggetti estremamente compatti, la fisica esatta che guida gli Frb non è chiara. Alcuni modelli prevedono che i fast radio burst provengano dalla magnetosfera turbolenta che circonda un oggetto compatto, mentre altri prevedono che i burst abbiano origine molto più lontano, come parte di un’onda d’urto che si propaga lontano dall’oggetto centrale.
Per distinguere i due scenari e determinare dove nascono i fast radio burst, il team ha preso in considerazione la scintillazione, ovvero l’effetto che si verifica quando la luce di una sorgente puntiforme, come una stella, passa attraverso un mezzo, come il gas di una galassia, e viene deflessa in modo da apparire, a un osservatore distante, come se la stella stesse scintillando. Più un oggetto è piccolo o lontano, più scintilla. La luce di oggetti più grandi o più vicini, come i pianeti del Sistema solare, subisce una deflessione minore e quindi non sembra scintillare.
Il team ha pensato che se si potesse stimare il grado di scintillazione di un Frb, si potrebbe determinare la dimensione relativa della regione da cui il lampo ha avuto origine. Più piccola è la regione, più il burst è vicino alla sua sorgente e più è probabile che provenga da un ambiente magneticamente turbolento. Più grande è la regione, più lontano sarebbe il burst, a sostegno dello scenario secondo il quale gli Frb derivano da onde d’urto lontane.
Ed ecco che entra in gioco Frb 20221022A, il veloce burst radio rilevato da Chime nel 2022. Il segnale dura circa due millisecondi ed è un Frb relativamente comune, in termini di luminosità. Tuttavia, un gruppo di collaboratori della McGill University ha scoperto che Frb 20221022A presentava una proprietà particolare: la luce del burst era altamente polarizzata, con l’angolo di polarizzazione che tracciava una curva regolare a forma di S. Questo fatto è stato interpretato come la prova che il burst è altamente polarizzato e che il sito di emissione dell’Frb sta ruotando, una caratteristica precedentemente osservata nelle pulsar, stelle di neutroni altamente magnetizzate e in rotazione.
La presenza di una polarizzazione simile nei fast radio burst è una novità assoluta, che suggerisce che il segnale possa provenire da regioni molto vicine alla stella di neutroni. I risultati del team della McGill sono riportati in un articolo di accompagnamento pubblicato su Nature.
A questo punto, il team del Mit ha intuito che, attraverso l’eventuale rilevamento di una scintillazione, sarebbe stato possibile verificare se l’Frb 20221022A avesse avuto origine nelle vicinanze di una stella di neutroni. E così è stato: nel loro nuovo studio, Nimmo e i suoi colleghi hanno individuato nei dati di Chime forti variazioni di luminosità indicative di una scintillazione. Hanno confermato la presenza di gas tra il telescopio e l’Frb, capace di deviare e filtrare le onde radio. Analizzando la posizione di questo gas, il team ha stabilito che parte della scintillazione osservata era attribuibile al gas presente nella galassia ospite dell’Frb. Questo gas, agendo come una lente naturale, ha permesso ai ricercatori di “ingrandire” il sito di origine dell’Frb e di determinare che il burst proveniva da una regione estremamente piccola, con un diametro di circa 10mila chilometri. «È molto vicino», afferma Nimmo. «Per fare un paragone, se il segnale provenisse da un’onda d’urto, ci aspetteremmo di trovarci a oltre decine di milioni di chilometri di distanza e non vedremmo alcuna scintillazione».
«Fare uno zoom su una regione di 10mila chilometri, da una distanza di 200 milioni di anni luce, è come poter misurare la larghezza di un’elica di Dna, che è larga circa 2 nanometri, sulla superficie della Luna», aggiunge Masui.
Questi risultati, combinati con quelli del team McGill, escludono la possibilità che Frb 20221022A sia emerso dalle zone più periferiche di un oggetto compatto. Al contrario, gli studi dimostrano per la prima volta che i fast radio burst possono avere origine molto vicino a una stella di neutroni, in ambienti magnetici altamente caotici.
«Il modello tracciato dall’angolo di polarizzazione era così sorprendentemente simile a quello osservato dalle pulsar nella nostra galassia, la Via Lattea, che inizialmente abbiamo temuto che la sorgente non fosse in realtà un Frb ma una pulsar classificata in modo errato», afferma Ryan Mckinven, coautore dello studio della McGill University. «Fortunatamente, queste preoccupazioni sono state messe a tacere con l’aiuto dei dati raccolti da un telescopio ottico che ha confermato che l’Frb ha avuto origine in una galassia distante milioni di anni luce».
«La polarimetria è uno dei pochi strumenti che abbiamo per sondare queste sorgenti lontane», conclude Mckinven. «Questo risultato probabilmente ispirerà studi successivi su un comportamento simile in altri Frb e stimolerà gli sforzi teorici per riconciliare le differenze nei loro segnali polarizzati».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Magnetospheric origin of a fast radio burst constrained using scintillation” di Kenzie Nimmo, Ziggy Pleunis, Paz Beniamini, Pawan Kumar, Adam E. Lanman, D. Z. Li, Robert Main, Mawson W. Sammons, Shion Andrew, Mohit Bhardwaj, Shami Chatterjee, Alice P. Curtin, Emmanuel Fonseca, B. M. Gaensler, Ronniy C. Joseph, Zarif Kader, Victoria M. Kaspi, Mattias Lazda, Calvin Leung, Kiyoshi W. Masui, Ryan Mckinven, Daniele Michilli, Ayush Pandhi, Aaron B. Pearlman, Masoud Rafiei-Ravandi, Ketan R. Sand, Kaitlyn Shin, Kendrick Smith e Ingrid H. Stairs