STUDIARE L’ESPANSIONE DELL’UNIVERSO CON GRB E KILONOVE

Lampi di platino sulla costante di Hubble

Uno studio pubblicato su ApJ analizza alcune proprietà fondamentali di un nuovo campione di gamma ray burst (Grb) – il cosiddetto “Platinum sample” – e include per la prima volta alcuni casi di Grb associati alle kilonove. Secondo i risultati, questi esemplari speciali di Grb si collocano sul cosiddetto “piano fondamentale” con una dispersione molto inferiore rispetto agli studi precedenti, tanto da poter essere impiegati come candele standard per stimare i parametri cosmologici e l’espansione dell’universo. Media Inaf ha intervistato la prima autrice, Maria Giovanna Dainotti

     27/11/2020
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Rappresentazione artistica di un’esplosione di kilonova. Crediti: Eso/L. Calçada/M. Kornmesser

Avevano trovato un campione d’oro, i cercatori di gamma ray burst (Grb) che – guidati da Maria Giovanna Dainotti – hanno scoperto il cosiddetto “piano fondamentale”: una relazione a tre parametri sulla quale si posizionano Grb di diversa natura ma con una caratteristica comune – quella di avere le carte in regola per appartenere a questa classe “dorata”, appunto. Ma non era che l’inizio. Cercando nell’oro, hanno trovato il platino: un nuovo sottocampione di Grb, di simile natura e durata, ma con curve di luce caratterizzate da una lunga fase di plateau senza improvvisi aumenti di luminosità (flares). Questo campione – assieme alle kilonove – ha consentito di rifinire ancor meglio il legame fra i parametri fisici che determinano il piano fondamentale come mezzo per discriminare varie cateogorie di Grb – e impiegarle come strumenti cosmologici per stimare l’espansione dell’universo.

I Grb sono gli oggetti più energetici dell’universo – in grado, in pochi secondi, di emettere l’energia prodotta dal Sole nell’arco della sua intera vita. Sicuramente è questa una delle caratteristiche che hanno incuriosito e spinto Maria Giovanna Dainotti – prima autrice dell’articolo pubblicato il 25 novembre 2020 su The Astrophysical Journal – a farne oggetto e scopo della sua carriera. L’hanno portata a spasso per il mondo, i Grb, dopo la laurea a Salerno e il dottorato di ricerca in astrofisica relativistica a Roma, tanto che ora lavora non in uno – non in due – bensì in tre diversi istituti di ricerca: è assistant professor dell’Osservatorio astronomico presso la Jagiellonian University, a Cracovia, ricercatrice senior dell’Interdisciplinary Theoretical & Mathematical Science Program a Riken, in Giappone, e affiliated research scientist del Science space istitute a Boulder, in Colorado.

«Il lavoro che abbiamo pubblicato ora è il risultato di più di 12 anni di studi – cominciati al termine del mio dottorato, quando ho iniziato a interessarmi alla correlazione fra gli osservabili di questi misteriosi e potentissimi oggetti astrofisici. Anno dopo anno – e in questo articolo, in collaborazione con i giovani ricercatori Giuseppe Sarracino e Aleksander Lenart, e i colleghi professori Salvatore Capozziello, Shigeiro Nagataki e Nissim Fraja – siamo riusciti ad aggiungere tutti i tasselli necessari a comporre la nostra relazione a tre parametri – che abbiamo chiamato “piano fondamentale dei Grb”», racconta a Media Inaf Dainotti.

Maria Giovanna Dainotti, prima autrice del lavoro pubblicato il 25 Novembre su Apj. Crediti: Fullbright Italia Alumni Event

Lei ha già presentato a Media Inaf i suoi risultati nel 2017, parlando proprio di questa relazione a tre parametri e legandola a un campione di Grb che avevate definito “dorato” (nello studio, golden sample). Nel vostro nuovo lavoro, l’oro diventa platino – il platinum sample. Cos’è cambiato?

«In effetti questo lavoro rappresenta un passo successivo rispetto a quello di tre anni fa, poiché abbiamo investigato un campione con caratteristiche fenomenologiche più chiare e più nette per aumentare la possibilità di usarlo come “candela standard” e strumento affidabile per indagini cosmologiche. Il nuovo campione – il platinum sample – è un sottocampione del golden sample e in quanto tale è composto di 222 Grb che presentano una fase di plateau – la parte centrale dell’emissione, osservata dal satellite Swift alle frequenze dei raggi X – abbastanza piatta; un altro requisito è che non devono esserci lacune nei dati durante la fase di plateau – la cui durata deve essere maggiore di 500 secondi – né alla fine dello stesso, per far sì che questa fase caratteristica sia determinata bene. Infine, non devono esserci flares che impediscano l’identificazione chiara del plateau stesso».

Tutti i Grb presentano questa fase di plateau? 

«Circa il 60 per cento di tutti i Grb con redshift noto presenta il plateau, e all’interno di questa percentuale è possibile trovare tutte le classi con le quali abbiamo costruito il piano fondamentale. La maggior parte degli eventi considerati sono i cosiddetti Grb lunghi (long Grbs), ma sono stati inclusi alcuni cosiddetti ultra lunghi, e Grb associati a kilonove e supernove».

Che risultato ha portato questa nuova classificazione?

«Il platinum sample ha una dispersione nel piano fondamentale il 31 per cento inferiore rispetto a quella del precedente golden sample quando consideriamo anche gli effetti di selezione. Significa che tutti i Grb si distribuiscono attorno, sopra e sotto questo piano – definito da tre osservabili fondamentali dei Grb – occupando posizioni più prossime rispetto al best fit del piano. Mentre la dispersione del golden sample valeva 0.32, nel platinum sample vale 0.22 – sicuramente un bel passo avanti rispetto allo studio precedente».

Quali sono questi parametri di cui parla e che definiscono il piano fondamentale dei Grb?

«Sono la durata della fase di plateau nei raggi X, la sua luminosità e la luminosità di picco della fase cosiddetta “prompt” – la breve fase iniziale di emissione di raggi gamma ad altissima energia, che dura da pochi secondi a poche ore, in basa alla tipologia di Grb considerata».

Nel vostro studio si parla anche delle kilonove: qual è il loro ruolo nel vostro studio?

«I Grb associati alle kilonove sono una novità esclusiva del nostro studio. Diversamente da ogni indagine precedente, infatti, ci siamo chiesti quale fosse il ruolo dei Grb associati a kilonove nelle correlazioni fra i parametri che identificano il piano fondamentale – e, di conseguenza, quale posizione occupassero in questo. La cosa interessante che abbiamo trovato è che tutti gli eventi di Grb associati a kilonove – che sono un sottocampione degli short Grb, quelli la cui emissione nella fase di prompt è inferiore a due secondi – si posizionano al di sotto del piano degli short e del piano fondamentale di tutti i Grb. Così come avviene per le altre categorie di Grb che popolano il piano – i Grb lunghi e quelli ultra-lunghi, ad esempio – ci saremmo aspettati che anche questa categoria si disperdesse un po’ al di sopra e un po’ al di sotto del piano. Prima di trarre qualunque conclusione affrettata, ci siamo chiesti se potesse essere un effetto di selezione dovuto al fatto che le kilonove sono osservate a redshift più basso rispetto agli altri Grb».

Cioè?

«Il più lontano Grb associato alle kilonove si trova a redshift 2.21 (circa 2.9 miliardi di anni dopo il Big Bang), mentre il più lontano tra quelli appartenenti al platinum sample si trova a redshift 5 (appena 1.15 miliardi di anni dopo il Big Bang). Grazie a sofisticati mezzi di indagine statistica, abbiamo verificato che questa caratteristica permane, ed è quindi intrinseca alla fisica dei Grb».

Fanno parte del platinum sample anche le kilonove?

«No, il nostro studio si ramifica in varie dimensioni. Da un lato, consideriamo il platinum sample – una categoria di Grb morfologicamente ben definiti – secondo le caratteristiche che abbiamo elencato prima –, dall’altro includiamo una seconda classe di oggetti catalogati in letteratura come Grb associati a kilonove e supernove. Ci tengo a sottolineare come, negli studi precedenti, avevamo sottolineato il fatto che una sola categoria di Grb non potesse essere sufficiente a definire una “candela standard” – ed essere usata quindi a fini cosmologici. Questo vale certamente per i Grb lunghi. Con le kilonove, invece, ci dobbiamo ricredere: la loro dispersione nel piano è così bassa che, da sole, potrebbero bastare. Il punto fondamentale del nostro lavoro è che abbiamo aggiunto più Grb rispetto agli studi precedenti, e queste aggiunte hanno consentito di popolare maggiormente classi prima non analizzate e fare uno studio statisticamente più accurato – rivelando anche nuove classi, proprio come quelle associate alle kilonove».

Rappresentazione del piano fondamentale degli short Grb. In giallo, i Grb associati alle Kilonovae si collocano sistematicamente al di sotto del piano. Crediti: Dainotti et al., Apj. Doi: 10.3847/1538-4357/abbe8a

Che tipologia di Grb è quella associata a una kilonova?

«Le kilonove fanno parte di una sottoclasse dei Grb brevi (in inglese short Grb), anche se – come dicevo – diversamente da questi le kilonove si posizionano al di sotto del piano fondamentale. Un’altra novità importante di questo studio è che siccome molte kilonove sono di attribuzione incerta perché, ad esempio, la controparte del Grb è troppo luminosa e maschera la natura di queste sorgenti, la posizione dei Grb associati alle kilonove e la loro piccola dispersione fa sì che in futuro sarà possibile effettuare l’associazione di un Grb con una kilonova guardando il suo posizionamento nel piano fondamentale».

Il vostro studio si concentra anche sul definire i Grb come possibili “candele standard”. Cosa sono e quali sono gli ingredienti che rendono i Grb potenzialmente adatti? 

«Le candele standard sono oggetti astrofisici la cui luminosità o la cui brillanza è costante e nota, oppure ricavabile da altre caratteristiche osservabili della sorgente considerata – delle quali, almeno una indipendente dalla distanza. Nel caso dei Grb la difficoltà sta nel fatto che essi hanno una luminosità e un’energia molto variabile che spazia attraverso oltre otto ordini di grandezza – ed è quindi molto complicato identificare una luminosità o un’energia costante. Tramite le relazioni che compongono il piano fondamentale però, si riescono a identificare caratteristiche che si mantengono costanti. Ad esempio, l’energia all’interno del plateau è costante ed è direttamente proporzionale alla luminosità emessa durante il picco della fase di prompt. O ancora, la luminosità di picco del prompt è direttamente proporzionale alla luminosità alla fine della fase piatta, a sua volta inversamente proporzionale alla sua durata. Sono queste tre variabili insieme – quelle che definiscono il piano fondamentale – a essere le giuste candidate per definire una “candela standard”».

Questo significa che almeno uno dei tre parametri deve essere misurabile direttamente, giusto?

«Esatto. Ciò che si misura direttamente – e che pertanto costituisce la variabile indipendente – è la durata del plateau – misura per la quale non è necessaria la conoscenza dei parametri cosmologici dell’universo. Anche la luminosità potrebbe essere considerata come variabile indipendente, ma dal punto di vista cosmologico questa non è la scelta più opportuna, poiché si tratta di una grandezza che, per essere determinata, richiede a sua volta la conoscenza dei parametri cosmologici».

In altre parole, per calcolare alcuni dei parametri del piano occorrono i parametri cosmologici – parametri che dovrebbero poi essere calcolati grazie alla definizione del piano stesso, nel caso in cui esso venga utilizzato – come dicevamo prima – come “candela standard”?

«È così, chiamiamo questo problema “circolarità”. In realtà in uno studio del 2013 abbiamo affrontato questa questione e abbiamo trovato la ricetta corretta per poter usare i Grb come candele standard senza incorrere nella circolarità. La soluzione prevede di cambiare contemporaneamente i parametri che definiscono il piano – cioè i coefficienti legati al tempo di durata del plateau e alla luminosità di picco – e i parametri cosmologici per moltissime combinazioni di parametri. Cioè, variando i parametri cosmologici all’interno di una griglia grande a piacere rivalutiamo quali sono i best fit del piano fondamentale – che variano appunto con la cosmologia usata. Quando abbiamo esaurito la griglia vediamo quali sono i valori migliori dei parametri cosmologi assieme a quelli che meglio descrivono i parametri del piano. In questo modo non fissiamo mai la cosmologia in maniera esplicita a priori. Grazie a questa tecnica, pensiamo che sia possibile usare i Grb per misurare, ad esempio, l’espansione dell’universo – esattamente come si fa con le supernove di tipo Ia».

E, come le supernove, anche i Grb possono essere usati, in quanto candele standard, per misurare la scala delle distanze nell’universo? 

«Allo stato attuale, usare i Grb come estimatori di redshift significa introdurre un’incertezza sulla misura maggiore rispetto alla variazione indotta cambiando i parametri cosmologici. Al momento quindi, con le correlazioni di cui disponiamo, non è possibile raggiungere una buona precisione nella stima delle distanze. Stiamo attualmente lavorando a un progetto che usa la tecnica del machine learning per aumentare il numero di parametri e osservabili associati ai Grb in modo da ottenere una buona stima delle distanze utilizzando i soli dati ricavati dai Grb».

Come stimate allora la distanza di questi Grb?

«O in maniera fotometrica o spettroscopica. Tutti i Grb coinvolti nel nostro studio hanno una stima di distanza catalogata nell’archivio di Swift – la missione principale dalla quale ricaviamo i dati per determinare le correlazioni nel piano fondamentale».

Le kilonove emettono anche onde gravitazionali. Ci sono informazioni importanti che potete ricavare grazie allo studio combinato con questo tipo di emissioni?

«Al momento abbiamo solo un evento che mostra anche l’emissione di onde gravitazionali, ma se in futuro raccoglieremo più statistica sarebbe interessante vedere, ad esempio, se anche in questi casi il Grb associato attraversa la fase di plateau – e se possano essere considerati nel nostro campione ideale di Grb da usare come candele standard. Ci sono stati studi che hanno usato onde gravitazionali come “sirene standard” per calcolare, ad esempio, la costante di Hubble. Quindi sì, sicuramente si potrebbe pensare a uno studio combinato utilizzando queste due diverse prove cosmologiche. Sicuramente avere metodi indipendenti presenta un vantaggio notevolissimo».

Il vostro metodo di applicazione del piano fondamentale dei Gbr come “candele standard” per la cosmologia è già stato applicato?

«Il metodo che evita la circolarità della cosmologia – quello di cui parlavamo prima – sì, è stato applicato con successo da noi e da diversi altri studi. La vera novità per il futuro, partendo da questo nostro lavoro, sarà quella di applicare la correlazione più precisa e meno dispersa che abbiamo trovato grazie al platinum sample e alle kilonove per lo studio dei modelli e dei parametri cosmologici».

Avete già iniziato a lavorarci?

«Sì, abbiamo già un draft che al momento è in revisione e quindi ci auguriamo, fra qualche mese, di poter dare una risposta anche a questo quesito. Mi farebbe piacere in quell’occasione raccontarvi cosa abbiamo trovato e spero ci risentiremo».


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