Nuova era nell’astronomia gamma: scoperta di radiazione di altissime energia prodotta da esplosioni collegate alla nascita di buchi neri stellari

Il 14 gennaio 2019 sono stati rivelati per la prima volta fotoni di altissima energia prodotti da un Gamma-Ray Burst (GRB, in italiano: lampo di raggi gamma), una violenta esplosione che fa seguito alla formazione di oggetti compatti come i buchi neri. A captare questi fotoni sono stati i telescopi MAGIC , sulle isole Canarie. La radiazione, di durata complessiva di 30 minuti ed energia migliaia di miliardi di volte più elevata di quella della luce visibile, ha aperto un nuovo canale investigativo sull’origine dei GRB, la cui natura è ancora ampiamente sconosciuta. Un team internazionale di circa 300 ricercatori, guidato da Lara Nava,  ricercatrice INAF afferente all’Osservatorio di Brera-Milano e di Trieste, ha confrontato i dati presi a diverse frequenze (onde radio, luce visibile, raggi X, e raggi gamma) con modelli teorici, e ha identificato il processo fisico che sta all’origine della radiazione osservata. Fondamentale il contributo di ricercatori afferenti all’ INFN, all’ Università di Trieste e di Udine , e coinvolti nel progetto dedicato ai GRB dell’Institute for Fundamental Physics of the Universe ( IFPU , Trieste). 

I GRB vengono originati sia dell’esplosione di stelle molto massicce che della fusione di stelle di neutroni in galassie lontane, vedi Figura 1, lo stesso fenomeno che dà origine anche alle onde gravitazionali. Queste esplosioni vengono regolarmente captate circa una volta al giorno da satelliti in orbita attorno alla Terra. Ad un lampo iniziale molto luminoso di raggi gamma, della durata tipica di qualche secondo, fa seguito un’emissione chiamata afterglow, osservabile dalle onde radio fino ai raggi gamma, che va attenuandosi nel tempo fino a scomparire del tutto. La sua luce viene osservata utilizzando strumentazione sia da Terra che dallo spazio. Questa radiazione è prodotta da emissione di sincrotrone, un particolare tipo di radiazione emessa da elettroni relativistici estremamente energetici quando si trovano in una regione caratterizzata da intensi campi magnetici.

Il GRB denominato 190114C e’ stato captato a gennaio 2019 da vari telescopi spaziali, tra cui AGILE, Fermi e Swift, che ne hanno calcolato la posizione in cielo e l’hanno comunicata via internet in soli 22 secondi agli astronomi di tutto il mondo. L’allerta e’ stata ricevuta anche dai due telescopi MAGIC a luce Cherenkov di 17 metri di diametro, vedi Figura 2, situati sull’isola di La Palma, alle Canarie (Spagna). I telescopi MAGIC, concepiti per rispondere rapidamente alle allerte che segnalano l’avvenuta esplosione di un GRB, sono stati in grado di ruotare e puntare il GRB in soli 30 secondi dall'arrivo dell’allerta, cioè circa 50 secondi dopo la rivelazione iniziale dell’esplosione.

Fino a qui, per quanto molto sorprendente, tutta la procedura è abbastanza standard e si ripete svariate volte l’anno. La vera peculiarità si è verificata subito dopo il puntamento dei telescopi MAGIC in direzione del GRB 190114C: mentre in simili occasioni nessun segnale era stato captato, questa volta i telescopi sono stati  illuminati da un’enorme quantità di radiazione inequivocabilmente prodotta da fotoni di altissima energia, mai misurati in precedenza da questo tipo di fenomeni cosmici.

MAGIC ha immediatamente comunicato la scoperta all’intera comunità astrofisica. Data l’importanza e l’unicità dell’evento, tutti i maggiori telescopi radio, ottici e satelliti come l’Hubble Space Telescope e XMM-Newton hanno puntato il GRB e iniziato a prendere dati.

Questi dati sono poi stati condivisi da circa 300 ricercatori, al fine di mettere insieme più indizi possibili per capire quale fosse l’origine di questa nuova radiazione osservata da MAGIC. Lo studio, guidato dalla dott.ssa Lara Nava dell’INAF di Brera-Milano e di Trieste e affiliata all’INFN e all’IFPU di Trieste, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature il 20 Novembre 2019, ha mostrato che il candidato favorito per spiegare l’emissione di altissima energia è il cosiddetto processo Compton inverso: prima di riuscire a lasciare la sorgente e viaggiare verso di noi, i fotoni prodotti dal processo di sincrotrone urtano contro un elettrone, da cui ricevono un’ulteriore iniezione di energia e vengono così portati alle energie elevate con cui MAGIC li ha osservati. Due fenomeni collegati, quindi, quello di sincrotrone e di Compton inverso, che si influenzano a vicenda, ma di cui finora avevamo osservato solo la parte di sincrotrone, avendo quindi a disposizione metà dell’informazione.

La nuova componente di emissione identificata da MAGIC, vedi Figura 3, porta con sé una serie di informazioni aggiuntive, come un nuovo pezzo di un puzzle. La quantità di radiazione prodotta dal meccanismo Compton inverso, paragonata alla quantità prodotta sotto forma di luce di sincrotrone, permette infatti di determinare: l’energia degli elettroni responsabili dell’emissione, l’intensità dei campi magnetici e la densità di particelle nella regione dove la radiazione è stata prodotta. Queste informazioni hanno importanti conseguenze sullo studio della materia emessa durante la formazione di un buco nero stellare e sugli ambienti in cui tali fenomeni avvengono. Una nuova generazione di telescopi Cherenkov è già in costruzione nel sito di La Palma e di Paranal (in Cile). Le performance di questa nuova serie di telescopi, chiamati Cherenkov Telescope Array, saranno molto superiori a quelle degli attuali  e  permetteranno di osservare radiazione di altissime energie dai GRB con una frequenza maggiore rispetto a quella attuale, probabilmente diverse volte l’anno, garantendo una cospicua raccolta di dati da GRB ad altissime energie che contribuiranno a svelare il mistero che ancora circonda queste sorgenti cosmiche. 

Per saperne di più:

1) Comunicato stampa area Trieste/Udine , 2) La news su MediaINAF , 3) Il comunicato stampa congiunto INAF-INFN-ASI , 4) Il comunicato stampa della NASA , 5) Il comunicato stampa di MAGIC

 

 

 

 

Figura 1. Immagine artistica di un Gamma-Ray Burst: il collasso di una stella di grande massa (al centro) si conclude con la formazione di un buco nero e nell’emissione di materia e radiazione, nella forma di due getti opposti. Il fenomeno prodotto in seguito a questa vera e propria esplosione, viene registrato da Terra come emissione temporanea di radiazione su tutte le bande dello spettro elettromagnetico, ed è noto con il nome di GRB. Credit: NASA.

 

 

 

 

Figura 2. Una foto dei due telescopi MAGIC,situati all’Osservatorio di Roque de los Muchachos, sull’isola di La Palma (Canarie), ad un’altezza di 2200 metri. Credit: Chiara Righi

 

 

 

 

 

Figura 3. Spettro elettromagnetico di GRB 190114C: mettendo insieme i dati registrati da diversi  strumenti che hanno simultaneamente osservato GRB 190114C, i ricercatori della collaborazione MAGIC hanno capito che la radiazione ricevuta per la prima volta alle energie sopra 1011 electronVolt (eV, simboli in giallo) è radiazione di Compton inverso, paragonando i dati con le predizioni del modello teorico (curve blu). A più basse energie (inferiori a 109 eV), il modello utilizzato per spiegare i dati (punti verdi e rossi), è quello di sincrotrone.