LO STUDIO SU ASTRONOMY & ASTROPHYSICS

Lampi gamma, la rivincita dei protoni

Svelato da un gruppo di ricercatori dell’Inaf, Infn, Gssi, Sissa e Università di Milano-Bicocca il meccanismo di emissione dei lampi di raggi gamma, che individua nei protoni la fonte principale della radiazione emessa da quelle che sono le più violente ed energetiche esplosioni nell’universo

     30/04/2020
Social buttons need cookies

Rappresentazione artistica di un lampo gamma (Grb). Crediti: Esa/Ecf

Un team di ricercatori sembra aver finalmente svelato il mistero che, per più di 40 anni dalla loro scoperta ha avvolto i gamma ray burst (Grb), le più violente ed energetiche esplosioni nell’universo.

Secondo lo studio, appena pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics, l’intensa e breve radiazione dei Grb nei raggi gamma verrebbe prodotta dai protoni e non dagli elettroni, come si è pensato a lungo. I protoni, spiraleggiando in intensi campi magnetici, emettono radiazione che prende il nome di luce di sincrotrone. Queste condizioni sono realizzate nei potenti getti che si originano dai buchi neri che alimentano i Grb.

Il gruppo di ricerca che ha realizzato lo studio è guidato da ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e vede la partecipazione di colleghi dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), del Gran Sasso science institute (Gssi), della Scuola internazionale superiore di studi avanzati (Sissa) e dell’Università di Milano-Bicocca.

L’idea che il processo di emissione dei Grb fosse quello di sincrotrone è stata avanzata già trenta anni fa, ma le proprietà della radiazione di sincrotrone emessa da elettroni sono differenti da quelle osservate durante i brevi bagliori dei lampi gamma rilevati dai satelliti in orbita. Riguardo tale discrepanza, un lavoro del 1999 di Gabriele Ghisellini (Inaf) e Annalisa Celotti (Sissa) mostrava che, date le condizioni fisiche in cui avviene l’emissione, gli elettroni perdono la loro energia emettendo luce di sincrotrone in un tempo brevissimo, circa dieci milionesimi di secondo, e quindi molto più breve dei segnali gamma registrati nei Grb. In aggiunta, la teoria prevederebbe che in questo processo che vede coinvolti gli elettroni vengano emessi più fotoni con bassa energia rispetto a quanti effettivamente se ne osservano. Questa inconsistenza fra teoria e osservazioni ha per anni rappresentato uno dei problemi aperti nello studio di queste sorgenti.

Dopo intensi sforzi da parte della comunità scientifica volti a cercare un accordo fra teoria ed osservazioni, Gor Oganesyan (co-autore del lavoro, prima dottorando alla Sissa e ora postdoc al Gssi) ha messo in luce, mediante un’analisi approfondita degli spettri dei Grb osservati dal satellite Swift, che non c’è poi tanta differenza con la forma dello spettro previsto dalla teoria di sincrotrone. «Trovare uno spiraglio per la soluzione di un dilemma su cui per anni la comunità scientifica si è arrovellata provoca un vero e proprio burst di entusiasmo», commenta Oganesyan. «A conferma dei risultati di Gor, anche gli spettri dei Grb osservati dal satellite Fermi che ho analizzato mostrano un buon accordo con la forma predetta dalla teoria di sincrotrone», aggiunge Maria Edvige Ravasio, co-autrice del lavoro e ora dottoranda dell’Università Bicocca.

La novità è stata ipotizzare che a produrre la radiazione di sincrotrone sia una distribuzione di elettroni a cui mancano quelli di bassa energia. «Ma questo non tornava», spiega Ghisellini, primo autore del lavoro appena pubblicato. Il motivo? «Per non avere elettroni di bassa energia bisogna che questi non la perdano quando emettono, e questo a sua volta richiede campi magnetici molto piccoli e regioni di emissione grandi, due condizioni che sono il contrario di quanto si è sempre creduto».

La soluzione arriva per caso, durante una conferenza a Bologna, durante l’intervento di Roger Blandford che descrive il ruolo dei protoni per produrre la luminosità dei buchi neri super massicci al centro delle galassie (nuclei galattici attivi), dove sono presenti Ghisellini e il collega dell’Inaf Giancarlo Ghirlanda, che ricorda: «Ascoltando Blandford, mi è balenata l’idea che possono essere i protoni a fornire la soluzione al problema dei Grb. I protoni immersi in una regione con campo magnetico grande (qualche migliaio di gauss) si raffreddano circa 10-100 milioni di volte più lentamente degli elettroni».

Il perché è legato alla massa delle particelle: i protoni sono 1836 volte più massicci degli elettroni e compiono orbite a spirale più ampie (rispetto agli elettroni) attorno alle linee di campo magnetico, quindi, a parità di condizioni, perdono energia più lentamente.

Ghirlanda ne parla con Ghisellini, e l’idea prende corpo coinvolgendo oltre il loro gruppo Inaf a Milano, colleghi della Sissa e del Gssi. Alla fine tutti si convincono che “l’idea sembra tenere la strada”. «Finalmente, dopo decenni abbiamo identificato una possibile soluzione: sono i protoni che si muovono a velocità relativistiche dentro il getto permeato da un intenso campo magnetico a produrre i fotoni gamma dei Grb. Ed ora ci aspettano nuove sfide: per produrre gli intensi bagliori bastano relativamente pochi protoni e quindi sembra prendere piede l’idea che il getto dei Grb sia “fatto” prevalentemente di energia magnetica», conclude Ghisellini.

Per saperne di più: