LAMPI DI RAGGI GAMMA, COSA C’È DENTRO?

Neutrini extragalattici sulle ali dei GRB

Un modello pubblicato oggi su Nature Communication, partendo dai dati di IceCube, ricostruisce i processi di produzione di più tipi di astroparticelle da parte dei gamma-ray burst. E mostra come i diversi esiti siano conseguenza della non uniformità della loro struttura interna

Rappresentazione artistica di un GRB. Crediti: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones

Rappresentazione artistica di un GRB. Crediti: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones

Lampi di raggi gamma come autostrade intergalattiche. Questa l’analogia scelta da Mauricio Bustamante, della Ohio State University, per offrire un’immagine della loro complessa struttura interna. «Strade piene di auto che corrono, tutte molto rapide. Ma alcune sono normali vetture sportive, per quanto veloci, mentre altre sono veri e propri bolidi da Formula 1 E scontrandosi lungo il tragitto vanno in frantumi, producendo detriti. Detriti che contengono sempre sia neutrini, sia raggi cosmici, sia raggi gamma», dice Bustamante uscendo di metafora, «ma uno solo dei tre dominerà l’emissione.  A decidere quale dei tre, sarà il punto in cui s’è verificata la collisione»

I lampi di raggi gamma analizzati da Bustamante e colleghi sono, dopo il big bang, gli eventi più violenti dell’universo. La loro emissione – sotto forma di due getti opposti di particelle, sparati a velocità prossime a quella della luce e, per effetto dei campi magnetici, estremamente collimati anche a distanze intergalattiche – è associata all’esplosione di supernove. Vengono rilevati nello spazio da satelliti come il telescopio Swift della NASA. E i “detriti” di prima, quelli appunto prodotti dalle loro collisioni, possono giungere sulla Terra – così almeno ritengono gli scienziati – anche sotto forma di raggi cosmici e neutrini.

In particolare, stando al modello pubblicato oggi online su Nature Communication, se la collisione avviene a poca distanza dall’origine del gamma-ray burst, là dove le vetture della metafora autostradale sono più fitte, saranno detriti formati per la maggior parte da neutrini. Mano a mano che, lungo il percorso del fascio, la densità di particelle diminuisce, ecco che le collisioni daranno origine sempre più spesso a raggi cosmici. Fino a che, allontanandosi ulteriormente dal punto di partenza, la concentrazione delle particelle diventa bassissima: questo è lo stadio in cui gli scontri producono i raggi gamma che osserviamo sulla Terra.

La ricostruzione proposta dal team guidato da Bustamante mostra così come i diversi “messaggeri” – neutrini, raggi cosmici, raggi gamma – provengano da collisioni avvenute nel raggio di tre differenti regioni di spazio, determinate dalla loro distanza dall’origine. Un’ipotesi che ha importanti conseguenze sul versante sperimentale: grazie a osservazioni “multi-messaggere” – non semplicemente multibanda, dunque su più bande di frequenza, bensì con strumenti in grado di rivelare, oltre ai fotoni, anche raggi cosmici e neutrini – è possibile ricostruire l’evoluzione dell’emissione dei lampi di raggi gamma. Strumenti come gli 86 rivelatori di IceCube, che nel 2013, nelle profondità dei ghiacci antartici, catturò per la prima volta due neutrini extragalattici.

Il modello pubblicato su Nature Communication, a dire il vero, suggerisce che il tasso di produzione di neutrini da parte dei gamma-ray burst potrebbe essere più basso di quanto si pensasse, e dunque che solo una piccola parte – attorno a uno su dieci – dei neutrini rilevati sulla Terra provengano dai GRB. Un flusso inferiore alla soglia di rilevazione minima degli attuali telescopi per neutrini, dicono i ricercatori. Ma se i calcoli di Bustamante e colleghi risulteranno corretti, gli strumenti della prossima generazione – come IceCube-Gen-2 – dovrebbero essere sufficientemente sensibili da rilevare anche il flusso minimo previsto, aprendo così la strada a un nuovo modo per indagare la struttura interna dei lampi gamma.

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