È A “BOZZOLO”, ED È ASSOCIATO A UN’IPERNOVA

Ecografia di un getto “fast and furious”

Colta, per la prima volta, l’interazione tra il getto responsabile dell’emissione ad alta energia e gli strati più esterni della stella progenitrice. Con l’evento è stato avvistato anche un potentissimo lampo di raggi gamma. Lo studio pubblicato su Nature è firmato da numerosi astronomi dell’Istituto nazionale di astrofisica

Immagine ripresa dal GranTelescopio Canarias (GranTeCan) che mostra la supernova SN 2017iuk (indicata con una freccia) 18 giorni dopo la scoperta del GRB associato e la sua galassia ospite. Crediti: Antonio de Ugarte Postigo (Iaa/Csic)

In uno studio pubblicato oggi sulla rivista Nature, un gruppo di astronomi guidato dall’italiano Luca Izzo dell’Instituto de Astrofísica de Andalucía, e associato Inaf presso l’Osservatorio astronomico di Capodimonte, riporta l’osservazione di Grb 171205A, uno dei più vicini lampi di raggi gamma (o Grb, dall’inglese gamma ray burst) mai osservati, associato alla supernova Sn 2017iuk. Il team, di cui fanno parte numerosi ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), è riuscito a cogliere, per la prima volta, l’interazione tra il getto responsabile dell’emissione ad alta energia – osservata nei raggi X e gamma – e gli strati più esterni della stella progenitrice. Tale interazione altera la struttura del getto, che inizia a “gonfiarsi” generando un involucro, chiamato “bozzolo” (o cocoon, in inglese), caratterizzato da velocità di espansione di circa 100mila km/s, mai osservate fino a ora in nessun tipo di supernova. Questa scoperta potrebbe spiegare perché alcune ipernove non sono associate a Grb.

I lampi di raggi gamma sono eventi catastrofici, le esplosioni più energetiche e violente dell’universo dopo il Big Bang: nell’arco di poche decine di secondi emettono un’energia equivalente a quella prodotta da tutte le stelle nell’universo. Questa enorme luminosità trae origine da un’emissione potentissima (denominata jet,o getto) che permette di accelerare particelle a velocità relativistiche producendo radiazione che si estende per tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio fino ai raggi gamma.

I Grb lunghi sono associati a una particolare classe di esplosioni di supernove chiamata “ipernova di tipo Ic”. Nel materiale espulso da questi eventi non è presente idrogeno, ma quantità significative di elementi chimici più pesanti – come come calcio, silicio e ferro – espulsi a velocità dell’ordine di 20-30mila km/s. Una stella di almeno 30 masse solari, giunta alla fine del suo ciclo evolutivo, collassa su se stessa, così da formare una stella di neutroni o un buco nero. Allo stesso tempo, due getti di materia vengono espulsi dai poli del residuo stellare. Questi getti riescono a “perforare” l’interno della stella fino agli strati più esterni, producendo radiazione di tipo gamma. Gli strati esterni della stella vengono così espulsi, generando l’emissione di ipernova, circa 10 volte più energetica di una tipica supernova.

Rappresentazione artistica delle prime fasi dell’esplosione avvenuta nel caso di Grb 171205A/Sn 2017iuk. L’interazione del getto con gli strati più esterni della stella forma un involucro a forma di bozzolo, il cocoon, che circonda la testa del getto e inizia a propagare lateralmente rispetto la direzione del jet stesso. Nel caso del Grb 171205A, il getto riesce a perforare completamente l’involucro della stella progenitrice, emettendo l’emissione ad alta energia di tipo gamma, responsabile del Grb. Crediti: Anna Serena Esposito

«Questo lavoro ci ha permesso di trovare alcune delle tessere mancanti del mosaico, attraverso l’identificazione di un’ulteriore componente di emissione: un bozzolo (cocoon) molto caldo che si forma attorno al getto mentre si propaga attraverso gli strati più esterni della stella progenitrice del Grb», sottolinea Izzo, primo autore della ricerca. «Il jet trasferisce una parte significativa della sua energia totale al bozzolo, e solo se riesce a perforare completamente la fotosfera della stella produrrà la tipica emissione in raggi gamma che conosciamo tutti come un Grb».

Il telescopio spaziale Swift ha osservato il lampo di raggi gamma Grb 171205A nel dicembre del 2017 in una galassia distante circa 500 milioni di anni luce da noi. Si tratta del quarto Grb più vicino tutt’ora conosciuto. «Supernove e Grb così vicini non sono molto frequenti, in media ne osserviamo una ogni 5 anni», specifica Antonio de Ugarte Postigo, secondo autore della ricerca anche lui ricercatore presso l’Iaa, «quindi abbiamo iniziato immediatamente una campagna osservativa dedicata al monitoraggio di questo evento, allo scopo di cogliere il prima possibile l’emissione dall’ipernova emergente».

I dati sono stati raccolti con il telescopio da 10.4 metri GranTeCan di La Palma, alle Canarie (Spagna), e con il Vlt dell’Eso, in Cile. «Queste osservazioni hanno rivelato immediatamente qualcosa di insolito: una componente in espansione con velocità incredibilmente elevate e una composizione chimica completamente differente da quanto normalmente osservato nelle fasi iniziali delle associazioni Grb/supernova fin qui studiate. Non stavamo osservando una supernova», aggiunge Massimo Della Valle, ricercatore dell’Inaf presso l’Osservatorio astronomico di Capodimonte, a Napoli.  

La composizione chimica anomala e le velocità di espansione elevate erano compatibili con le stime teoriche sull’esistenza della componente di bozzolo che segue il getto non appena quest’ultimo emerge attraverso la fotosfera della stella. Dopo un paio di giorni, questa componente è svanita, mentre l’emissione tipica dell’ipernova (successivamente denominata Sn 2017iuk) iniziava a prendere il sopravvento, raggiungendo il picco di luminosità alcuni giorni dopo. Sorprendentemente, l’energia totale emessa dal cocoon risultava essere più alta dell’emissione osservata nel Grb. Il getto aveva quindi trasferito una considerevole parte della sua energia interna al bozzolo, indicando così che nei Grb l’energia osservata dipende in gran parte dall’interazione tra il jet stesso e il materiale della stella progenitrice.

«Le nostre osservazioni», conclude Izzo, «aiutano a spiegare in modo naturale sia l’alto grado di asimmetria osservato in buona parte delle supernove di tipo Ic e Ib, che l’esistenza di ipernove senza lampi gamma associati».

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature l’articolo Signatures of a jet cocoon in early spectra of a supernova associated with a γ-ray burst di Luca Izzo (post-doc all’Instituto de Astrofísica de Andalucía presso il gruppo High-Energy Transients and their Hosts – HETH – guidato da Christina Thoene e da Antonio de Ugarte Postigo, e associato INAF presso l’Osservatorio di Capodimonte) et al. Gli altri ricercatori appartengono a 13 differenti paesi, inclusi i ricercatori Inaf (Massimo Della Valle, Sergio Campana, Stefano Covino, Silvia Piranomonte, Andrea Rossi e Ruben Sanchez Ramirez) e gli altri italiani che lavorano in istituti esteri come Daniele Malesani (Dawn Institute, Danimarca), Giovanna Pugliese (AI Pannekoek, Olanda) e Susanna Vergani (Obs. de Paris, Francia)