TRASFORMA I GRB IN CANDELE STANDARD

La relazione Amati è qualche cosa di diverso

Non è una relazione qualsiasi: stabilendo una correlazione fra alcune proprietà dei lampi di raggi gamma, apre la strada a indagini sulla natura dell’energia oscura e sul valore della costante di Hubble. L’ennesima conferma della sua validità arriva ora dal telescopio Fermi della Nasa. Abbiamo intervistato lo scienziato che nel 2002 la formulò: Lorenzo Amati, dell’Istituto nazionale di astrofisica

     06/12/2019
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Lorenzo Amati, dirigente di ricerca all’Inaf Oas di Bologna

Numero di Avogadro, limite di Chandrasekhar, costante di Planck, legge di Hubble-Lemaître… gli esempi di leggi e fenomeni della fisica che portano il nome dei loro scopritori sono tanti, certo. Ma non è da tutti gli scienziati avere una legge o un fenomeno intitolato a sé stessi. Lorenzo Amati, astrofisico all’Inaf di Bologna, è uno di questi: una correlazione individuata nel 2002 fra l’energia irradiata e la lunghezza d’onda alla quale si osserva il picco di luminosità dei lampi di raggi gamma (Grb, dall’inglese gamma ray bursts) è infatti universalmente nota come “the Amati relation” – la relazione Amati.

È una relazione che potrebbe dare un contributo decisivo alla soluzione di due fra i dilemmi che più stanno tormentando i cosmologi: la natura (e la possibile evoluzione) della cosiddetta energia oscura e il valore della costante di Hubble. Valore, quest’ultimo,  la cui stima varia – con risultati incompatibili fra loro – a seconda che si misuri la velocità di espansione dell’universo usando “candele standard” come le supernove o modelli e parametri cosmologici come quelli ottenuti grazie satellite Planck. Ebbene, se la sua affidabilità fosse confermata, la relazione Amati permetterebbe di affiancare alle supernove un tipo completamente diverso – e dunque indipendente – di candele standard: i Grb, appunto. E in particolare i long Grb.

Data la sua “giovinezza” – non è ancora nemmeno maggiorenne – non stupisce che la relazione Amati sia ancora al vaglio della comunità scientifica, ma per ora sembra che stia reggendo bene alla prova dei fatti. L’ultima conferma arriva da uno studio guidato da Feraol Fana Dirirsa basato sull’osservazione di 26 gamma ray bursts – compiuto con il telescopio della Nasa Fermi e firmato, fra gli altri, da Francesco Longo dell’Infn e dell’Università di Trieste – pubblicato da poche ore su The Astrophysical Journal. Ne parliamo non con uno degli autori dell’articolo, questa volta, bensì con lo stesso Lorenzo Amati: proprio lui, quello della relazione.

Partiamo dalla relazione che porta il suo nome, la Amati relation: cosa dice?

«Si tratta di una forte correlazione tra l’energia irradiata da un lampo gamma assumendo emissione isotropa (Eiso) e la lunghezza d’onda (espressa in termini di energia fotonica, Ep) alla quale si ha il picco dello spettro. In qualche modo, Ep rappresenta il “colore” del Grb, così come per una stella questo è legato alla sua temperatura superficiale. La correlazione ci dice che Ep è proporzionale a circa la radice quadrata di Eiso, ed è la meno dispersa tra quelle che legano l’energia irradiata, o la luminosità, dei Grb alle loro proprietà spettrali o temporali. Per questo, essa costituisce uno strumento fondamentale per la comprensione dei meccanismi fisici alla base dell’emissione dei Grb e delle proprietà geometriche dei jet ultra-relativistici che li emettono».

Cosa ha a che fare tutto ciò con la stima della costante di Hubble?

«Legando una quantità misurabile direttamente, Ep, con una quantità il cui valore apparente dipende dalla geometria ed espansione dell’universo, questa correlazione è il metodo più investigato per la “trasformazione” dei Grb in “candele standard” – e dunque per il loro utilizzo per lo studio dei parametri cosmologici, in modo simile a quanto avviene per le supernove di tipo Ia. Infatti su questa linea di ricerca collaboriamo strettamente con Massimo Della Valle, esperto di supernove e già coinvolto nei lavori da premio Nobel che hanno portato alla scoperta dell’espansione accelerata dell’universo alla fine degli anni ‘90».

In questi anni, per la relazione Amati sono arrivate solo conferme o anche dati che la mettono in discussione?

«Dopo la scoperta da parte di un gruppo di lavoro guidato dal sottoscritto e con l’importante contributo di Filippo Frontera e Marco Tavani, avvenuta nel 2002 basandosi sui dati di del satellite BeppoSax, la correlazione è stata confermata – ed estesa anche ai Grb più deboli e spettralmente “soffici” – dalle misure dei satelliti Hete-2, prima, e poi Konus-Wind, Swift e Fermi/Gbm. Le pubblicazioni scientifiche che citano il lavoro del 2002 sono quasi 900, e diverse centinaia quelle che citano i nostri lavori successivi sulla caratterizzazione e utilizzo della correlazione. Questo dimostra la grande credibilità e rilevanza di questa evidenza osservativa presso la comunità scientifica. Tuttavia, esistono alcuni lavori che, giustamente, si focalizzano sui possibili effetti di selezione legati alle sensibilità limitate dagli strumenti e altri tipi di bias, che vanno sempre considerati nell’utilizzo di sorgenti astrofisiche per la cosmologia».

Per esempio?

«Una decina di anni fa si accese un piccolo, ma acceso, dibattito sulla rilevanza di questi effetti per la correlazione Ep-Eiso, visto in particolare visto il crescente interesse per un suo utilizzo per la cosmologia. Numerosi lavori, tra i quali quelli di Giancarlo Ghirlanda, Gabriele Ghisellini, Lara Nava e collaboratori (peraltro, proponenti l’utilizzo di questo tipo di correlazione per la cosmologia già nel 2004) dimostrano però la marginalità di questi effetti, e dunque la solidità della correlazione. Infine, vi sono alcuni Grb con proprietà molto peculiari che sembrano non seguire la correlazione (i cosiddetti “outliers”). Tuttavia, esistono diverse spiegazioni per questi comportamenti: per esempio, effetti di linea di vista, particolari evoluzioni spettrali legate a effetti strumentali che “remano contro” la correlazione, Grb di diversa natura. Anzi, da questo punto di vista, il piano Ep-Eiso può essere considerato come uno strumento per identificare e comprendere diverse sotto-classi di Grb – ad esempio, quelli sub-luminosi».

E adesso questi 26 Grb osservati da Fermi: tutti ubbidienti alla sua legge o c’è qualche ribelle?

«I Grb lunghi di questo campione di lampi gamma con redshift noto e rivelati anche dallo strumento di altissima energia di Fermi (il Lat, che opera fino a qualche centinaia di GeV ) sono tutti pienamente consistenti con la correlazione. Come già dimostrato da numerose misure precedenti, i Grb corti, invece, non la seguono. E quest’ultimo aspetto rinforza il concetto espresso poco sopra, ovvero l’utilità del piano Ep-Eiso per identificare e distinguere Grb di classi diverse. Addirittura, esiste un lavoro di qualche anno fa, pubblicato su Mnras da un gruppo di ricerca cinese, che va oltre la classificazione dei Grb in lunghi e corti: basandosi sulla consistenza o meno con la correlazione, propone di classificarli in Grb “Amati” e “non-Amati”. Il che, per noi italiani, suona ovviamente abbastanza buffo!».

Cosa aggiunge di nuovo, quest’ultima osservazione compiuta con Fermi, a quelle precedenti?

«Le misure sensibili dello spettro dell’emissione “prompt” dei Grb, ovvero il lampo gamma vero e proprio, dalla quale si ricavano sia Eiso che Ep, vengono tipicamente effettuate da una decina di keV a 1-2 MeV al massimo. Per esempio, il Grb monitor a bordo di Swift è limitato a 15-150 keV, e il Grb monitor di Fermi (Gbm) – pur arrivando nominalmente fino a 30 MeV – per eventi medi è molto poco sensibile sopra 1 MeV. Questi limiti di banda energetica e sensibilità sono tra gli effetti principali che possono condizionare le caratteristiche, e la solidità stessa, della correlazione Ep – Eiso. Le misure dello strumento Lat di Fermi permettono di estendere fino ad oltre il GeV la caratterizzazione dello spettro dei Grb, fornendo quindi misure molto più accurate e solide sia di Ep che di Eiso, riducendo così in modo importante  gli effetti strumentali e di selezione. Dunque, siamo di fronte a un ulteriore passo in avanti nella validità della correlazione e del suo utilizzo per la fisica dei Grb ed il loro utilizzo cosmologico».

Diciott’anni sono pochi, ma nemmeno pochissimi. Perché i Grb ancora non sono utilizzati in modo sistematico per il calcolo della costante di Hubble, come consentirebbe di fare la correlazione che porta il suo nome?  

«Come detto sopra, nonostante la grande mole di lavori scientifici che utilizza la correlazione per la comprensione della fisica dei Grb, lo studio della geometria e struttura del jet che li emette, l’identificazione e comprensione di diverse classi di Grb, la cosmologia e i numerosi lavori che ne sostengono la solidità, per sdoganare del tutto l’utilizzo della correlazione per la misura di parametri cosmologici fondamentali occorre dissipare ogni ombra di dubbio sugli effetti strumentali e bias discussi in precedenza. E fare ulteriori passi in avanti nella calibrazione della correlazione stessa, resa difficile dal fatto che, a differenza delle supernove Ia, i Grb sono tutti a distanze “cosmologiche”. In quest’ottica, saranno molto importanti le misure della missione Svom (Cina e Francia), satellite dedicato ai Grb che dovrebbe essere lanciato nel 2022 e supererà parte dei limiti dell’attuale strumentazione, e, più in prospettiva, di Theseus, concetto di missione coordinato dall’Italia e attualmente in fase di studio da parte di Esa per un possibile lancio intorno al 2030,  che fornirà precisissime misure spettrali e stime del redshift per numerose centinaia di Grb».

Ma cosa si prova a sapere che c’è una potenziale legge di natura che porta il proprio nome?

«La correlazione Ep – Eiso fu chiamata per la prima volta “Amati relation” da Don Lamb – noto esperto mondiale di Grb, allora all’Università di Chicago – nel 2003, durante un congresso celebrativo di BeppoSax ad Amsterdam. Io partecipavo al congresso, ma durante l’intervento di Lamb, l’ultimo prima della fine della sessione, ero intento a discutere con un collega e non mi accorsi di nulla! All’uscita, i mei colleghi e amici cominciarono a complimentarsi, anche scherzosamente, per questa improvvisa popolarità, e da lì in poi è stata una specie di sorprendente, piacevole (e anche un po’ imbarazzante) valanga… Per diversi anni sono stato il più citato nei congressi sui Grb, e il mio cognome compare nel titolo di almeno 30 articoli scientifici e nell’abstract di oltre 200 articoli. Inoltre, mi ha sicuramente gratificato vedermi citato in contesti quali un articolo sul New York Times o un editoriale su Nature. Tra le perle un po’ buffe, oltre alla sopracitata classificazione dei Grb in “Amati” e “non-Amati” da parte di un gruppo cinese, menzionerei un mio ex-professore di dottorato di ricerca a Roma, nonché uno dei maggiori esperti di astronomia X. Che durante un pranzo con diversi colleghi raccontò la sua sorpresa nel leggere della “Amati relation” su Nature e concluse con: “Amati, lei è andato oltre ogni mia più rosea aspettativa!”. Per inciso,  si dice che qualcosa di simile sia successo anche ad Albert Einstein, quando un suo ex-professore commentò in modo analogo  la pubblicazione e il successo degli articoli sulla relatività. Ma non vorrei sembrare immodesto…».


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