TRA I LAMPI GAMMA PIÙ LUMINOSI MAI REGISTRATI

Un Grb eccezionale ma sotto sotto anche normale

Dopo aver scoperto, l'anno scorso, il potente lampo di raggi gamma Grb 210905A, un team internazionale guidato dall'Inaf ha continuato a osservare per molti mesi il bagliore residuo della sorgente, originatasi dall'esplosione di una stella massiccia quando l'universo aveva meno di 900 milioni di anni. Lo studio di questo raro fenomeno indica che anche i Grb più lontani si comportano in modo simile a quelli a noi vicini. Ne parliamo con Andrea Rossi dell'Inaf di Bologna

     21/09/2022
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Immagine ottica del campo in cui è stato osservato il lampo gamma Grb 210905A, ottenuta con la camera di acquisizione dello strumento X-shooter del Vlt. La regione in falsi colori (nel riquadro al centro) è stata ottenuta abbinando all’immagine in banda z dello sfondo anche le immagini dei filtri r e I dello stesso strumento. L’afterglow del Grb è ben riconoscibile al centro per via del suo colore rosso, che ha suggerito la grande distanza dell’esplosione, poi confermata con la spettroscopia. Crediti: Eso/Stargate/A. Rossi – Inaf

L’anno scorso, il 5 settembre 2021, un lampo di raggi gammagamma-ray burst, o Grb – proveniente da una lontanissima sorgente cosmica ha raggiunto il nostro pianeta. A rilevarlo, in orbita attorno alla Terra, lo strumento Bat a bordo del Neil Gehrels Swift Observatory, prolifico cacciatore di Grb, seguito dall’esperimento Konus a bordo del satellite Wind. Come di consueto, l’evento è stato battezzato a partire dalla data delle prime osservazioni: Grb 210905A.

Nei mesi successivi, il team di astronomi autore della scoperta, guidato da Andrea Rossi, ricercatore dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) a Bologna, ha continuato a osservare questa sorgente, o meglio il suo afterglow – il bagliore residuo, a energie più basse, che si protrae per settimane o addirittura mesi dopo il lampo. La campagna osservativa, combinando molteplici telescopi sia a terra che nello spazio, ha svelato che questo raro evento, originatosi da un’esplosione stellare agli albori del cosmo e tra i più luminosi mai registrati, non è poi così dissimile dai lampi gamma osservati nell’universo più vicino.

Per saperne di più, Media Inaf ha intervistato Andrea Rossi, primo autore dell’articolo pubblicato oggi su Astronomy & Astrophysics.

Dottor Rossi, perché si tratta di un gamma-ray burst insolito?

«È il Grb più energetico del catalogo Konus-Wind, con l’emissione più luminosa e una lenta evoluzione nelle ultime fasi sia in banda ottica che nei raggi X, con ripercussioni importanti sulla sua geometria. E poi, tra i Grb la cui galassia ospite si trova a un redshift maggiore di 6 (ovvero una galassia osservata quando l’universo aveva 880 milioni di anni, la cui luce ha viaggiato per oltre 12,8 miliardi di anni prima di raggiungerci, ndr) è quello con la galassia ospite più luminosa».

Andrea Rossi, ricercatore Inaf a Bologna.

Eppure, nonostante queste caratteristiche così particolari, alla fine si è rivelato essere un Grb come gli altri?

«Le nostre misure mostrano che, benché sia così eccezionale, questo Grb lungo (si identificano come Grb lunghi quelli della durata superiore a due secondi, ndr) ha proprietà consistenti con quelli più vicini, indicando quindi che il meccanismo responsabile dei Grb non evolve con l’universo».

È stata una conclusione che vi ha sorpresi?

«Non direi sorpresi perché ci aspettiamo che i Grb che riusciamo a osservare a grandi distanze siano quelli più brillanti. La speranza è quella di osservare una popolazione di stelle primordiali (le cosiddette stelle di popolazione III, ndr) che potrebbero esplodere come dei Grb estremamente energetici, ancora di più di quanto lo sia questo Grb. D’altra parte è stata una conclusione che mette in dubbio altri studi ottenuti analizzando Grb ad alto redshift secondo cui i Grb più lontani dovrebbero essere diversi, in particolare dovrebbero avere degli angoli di apertura del getto più piccoli rispetto a quelli più vicini a noi».

Può spiegarci cosa si intende per angolo di apertura e come si misura?

«Si tratta della larghezza angolare del getto di materia espulsa. Per misurarlo, sfruttiamo una conseguenza del fatto che la materia viaggia a una velocità prossima a quella della luce. A queste velocità, avviene un fenomeno relativistico per cui i fotoni vengono collimati nella direzione del getto entro un angolo che dipende dalla velocità. Il getto però decelera, e quindi l’angolo di collimazione si espande. Noi non notiamo cambiamenti nel modo in cui il flusso luminoso diminuisce nel tempo, fino a quando l’angolo di collimazione dei fotoni diventa maggiore dell’angolo che sottende il getto di materia, e non tutti i fotoni sono più collimati nella direzione dell’osservatore. Da quel momento, il flusso di luce che noi vediamo diminuisce più rapidamente. Misurando quando ciò avviene, riusciamo quindi a determinare anche l’angolo di apertura del getto».

Rappresentazione artistica di un gamma-ray burst originatosi da una stella collassata in un buco nero. Crediti: N. Jordana-Mitjans/University of Bath

Cosa ha provocato, dunque, l’esplosione all’origine di Grb 210905A?

«I principali meccanismi proposti per fornire energia a un Grb invocano un processo di accrescimento della materia intorno a una stella di neutroni in rapida rotazione con un forte campo magnetico (magnetar) e un buco nero. In entrambi i casi, sono nati dal collasso di una stella massiccia per un Grb lungo come questo, a differenza dei Grb più corti, solitamente associati allo scontro tra oggetti compatti come le stelle di neutroni. L’alta energia ci porta a escludere che l’energia necessaria per l’esplosione sia stata estratta da una magnetar, mentre il meccanismo che invoca il buco nero spiega facilmente le energie osservate».

In che modo le vostre misure vi hanno portato a stabilire che il meccanismo responsabile dei Grb non evolve mentre avanza l’età dell’universo?

«Nonostante l’eccezionale energia e luminosità sia del Grb 210905A che del suo afterglow X e ottico, dimostriamo che le sue proprietà sono coerenti con quelle di burst più vicini. Questo non solo per via del meccanismo di emissione di sincrotrone, lo stesso osservato nel caso di altri Grb, ma in particolare per quanto riguarda la relazione tra la frequenza alla quale si ha il picco dello spettro e l’energia irradiata nella banda gamma, sia assumendo un’emissione isotropica sia correggendo per l’angolo di apertura del getto da noi trovato. Allo stesso modo troviamo che il rapporto tra la luminosità dell’emissione del lampo gamma e la successiva emissione X è simile a quello trovato per altri Grb. Infine, l’angolo di apertura del getto risulta essere il più alto a questi redshift, ma in linea con gli angoli ottenuti osservando i Grb più vicini a noi. Studi precedenti avevano ottenuto angoli di apertura più piccoli ad alto redshift, quindi avevano proposto che ci fosse un’evoluzione della geometria col redshift. Un’altra possibilità invece è che noi vediamo solo i Grb più energetici, e questi hanno naturalmente (anche quelli più vicini) angoli più piccoli. Tutto questo indica che i meccanismi di alimentazione e i progenitori non evolvono con il redshift».

Alla luce di questo risultato, direbbe che i Grb sono più o meno enigmatici di quanto non si pensasse prima?

«Meno enigmatici. Potremmo dire che è in parte rassicurante sapere che i Grb hanno caratteristiche simili indipendentemente da quando sono esplosi. Tuttavia, benché il nostro studio confermi questo e porti a escludere che – almeno in questo caso – si tratti di una magnetar, molte domande restano aperte: in quali condizioni si forma una stella che esplode come Grb lungo? e qual è il fenomeno di formazione del getto?».

Il telescopio dell’Inaf Rem (Rapid Eye Mount) presso l’Osservatorio Eso di La Silla, in Cile. Crediti: Eso/P.Aniol

Con quali osservatori avete portato avanti questa campagna e quanto è durata?

«Hanno contribuito Swift e Konus-Wind per la parte gamma, Swift e Chandra per la parte X, e in ottico e infrarosso il Very Large Telescope (Vlt), Las Cumbres Observatory (Lco), lo strumento Grond sul telescopio da 2.2m dell’Eso e Rem, il Rapid Eye Mount telescope (entrambi all’Osservatorio Eso di La Silla in Cile, ndr) e Hubble. In particolare, il Vlt è stato importante per determinare la distanza e l’andamento finale dell’emissione ottica, mentre Rem per la fase iniziale. Le osservazioni sono durate in totale 8 mesi, la maggior parte concentrate tra settembre e novembre 2021, con l’ultima osservazione ottenuta con Hubble ad aprile».

Qual è stato il contributo del telescopio Rem, gestito dall’Istituto nazionale di astrofisica in Cile?

«Rem è stato essenziale per monitorare il Grb in ottico iniziando in contemporanea agli ultimi fotoni gamma emessi. Questo ha permesso di confermare l’alto redshift, e assieme alle osservazioni X e gamma determinare la forma dello spettro e quindi che il meccanismo dell’emissione sin dai primi istanti è quello di sincrotrone, come osservato nel caso di altri Grb».

Telescopi in giro per il mondo e nello spazio, una grande collaborazione internazionale… quali altri ingredienti servono per una scoperta simile?

«Direi che, ancora una volta, abbiamo dimostrato che quando si ha a che fare con fenomeni transienti bisogna poter agire in fretta e avere gli strumenti giusti. Quindi sia osservare il fenomeno quando è ancora brillante per ottenere un risultato chiaro e inequivocabile, sia aver accesso a quegli strumenti che ti permettono di coprire un grande intervallo di lunghezza d’onda, dal gamma ai raggi X, ottico e radio. Penso in particolare in questo caso al Vlt con lo strumento X-shooter e a Rem. E non è finita qui: la galassia ospite di questo Grb è la più luminosa ad alto redshift, ed è quindi la migliore candidata per osservazioni con il James Webb Space Telescope che ha appena iniziato a dimostrare le sue incredibili capacità, promettendo di svelare le caratteristiche dell’ambiente dove la stella massiccia all’origine di questo Grb è nata».

Per saperne di più:

  • Leggi su Astronomy & Astrophysics l’articolo “A blast from the infant Universe: the very high-z GRB 210905A” di A. Rossi, D. D. Frederiks, D. A. Kann, M. De Pasquale, E. Pian, G. Lamb, P. D’Avanzo, L. Izzo, A. J. Levan, D. B. Malesani, A. Melandri, A. Nicuesa Guelbenzu, S. Schulze, R. Strausbaugh, N. R. Tanvir, L. Amati, S. Campana, A. Cucchiara, G. Ghirlanda, M. Della Valle, S. Klose, R. Salvaterra, R. L. C. Starling, G. Stratta, A. E. Tsvetkova, S. D. Vergani, A. D’Aì, D. Burgarella, S. Covino, V. D’Elia, A. de Ugarte Postigo, H. Fausey, J. P. U. Fynbo, F. Frontera, C. Guidorzi, K. E. Heintz, N. Masetti, E. Maiorano, C. G. Mundell, S. R. Oates, M. J. Page, E. Palazzi, J. Palmerio, G. Pugliese, A. Rau, A. Saccardi, B. Sbarufatti, D. S. Svinkin, G. Tagliaferri, A. J. van der Horst, D. J. Watson, M. V. Ulanov, K. Wiersema, D. Xu, and J. Zhang (张洁莱)