Il Mistero “Buffo” dei Gamma Ray Burst

ottobre 26, 2011  |   AstronomiaNova   |     |   0 Commenti

di Corrado Bartolini, Giuseppe Greco


Cosa sono i GRBs?

I lampi gamma, in inglese Gamma-Ray Bursts (GRBs), sono considerate le più potenti esplosioni nell’universo dopo il Big Bang: si è calcolato che in poche decine di secondi essi emettono tutta l’energia che il Sole ha emesso in 5 miliardi di anni.

Quando furono scoperti?

L’esistenza dei GRB fu scoperta il 2 luglio de 1967 dai satelliti  militari Vela che gli Stati Uniti misero in orbita per vigilare che l’ex Unione Sovietica rispettasse il trattato di non proliferazione atomica Treaty Banning Nuclear Weapon Tests in the Atmosphere In Outer Space And Under Water.

Chi ha infranto il trattato?

Invece di registrare test nucleari clandestini, questi satelliti spia osservarono brevi lampi di raggi gamma senza riuscirne a determinare con un sufficiente grado di accuratezza la direzione di provenienza.

Nessuno fra i militari americani fu in grado di spiegare questi eventi e la notizia fu tenuta in stretto riserbo fino al 1973!

In quale regione dell’universo si formano?

La localizzazione nello spazio di questi rapidi ed intensi lampi di luce gamma fu a lungo un mistero. Dal 1973 fino al 1996 fiorirono più di duecento interpretazioni teoriche; alcune di queste ipotizzarono che  i GRBs si originassero dalla nube di Oort, altre ancora dall’alone galattico ed altre infine dalle regioni remote del nostro universo. Naturalmente al crescere della loro distanza dalla Terra r, l’energia emessa cresce drasticamente (1051-5054 erg assumendo un’emissione isotropa).

GRB 970228 e GRB 970508: la svolta

Solo nel 1997, quando si riuscì ad osservare per  la prima volta la controparte ottica afterglow di un lampo gamma (per il GRB 970228) e successivamente a farne lo spettro (per il GRB 970508), si capì che essi sono localizzati in galassie remote distanti miliardi di anni luce con redshift z spesso molto superiori ad uno (il record oggi è rappresentato dal GRB 090429B con z ~ 9.4).

Il contributo del telescopio G. Cassini di Loiano

La prima immagine di un afterglow fu effettuata all’osservatorio di Loiano dal Prof. Adriano Guarnieri la sera del 28 febbraio 1997, ma il primo a compiere l’identificazione fu l’astronomo olandese Jan van Paradijs che aveva fotografato lo stesso GRB all’osservatorio delle Canarie  4  ore più tardi.

Il prof. Corrado Bartolini racconta le fasi della scoperta della prima controparte ottica di un Gamma Ray Burst osservata al telescopio “Cassini” di 152cm dell’Osservatorio di Loiano la notte del 28 febbraio 1997

Il prof. Adriano Guarnieri del dipartimento di Astronomia dell’Università di Bologna, fornisce una dettagliata descrizione dei fenomeni legati ai lampi gamma.

L’attuale stato dell’arte

Oggi sappiamo che non tutti i GRB hanno la stessa durata e dunque la stessa origine fisica; alcuni durano pochi decimi di secondo (short GRBs, T90 < 2 s), altri anche più di un minuto (long GRBs, T90 > 2 s).  Si pensa che i primi derivino dalla fusione di due oggetti collassati (stelle di neutroni o  buchi neri), mentre i secondi dalla collasso di una stella di grande massa rapidamente rotante.

Un GRB può distruggere la vita sulla Terra?

I lampi gamma interni alla nostra galassia sono piuttosto rari; se si  formassero a distanze minori di sei mila anni luce potrebbero essere molto pericolosi per la vita sulla Terra,  perché modificherebbero l’atmosfera con due effetti molto nocivi: in primo luogo farebbero reagire l’ossigeno con l’azoto creando ossidi velenosi e opachi che offuscherebbero il Sole provocando glaciazioni;  in secondo luogo distruggerebbero l’ozono che  protegge il DNA degli esseri viventi. Si pensa che l’estinzione dei trilobiti alla fine del periodo Ordoviciano 443.7 milioni  di anni fa sia dovuta ad un GRB scoppiato nelle vicinanze del Sole.

I telescopi Robotici

Per  avere tempestive informazioni sulla curva di luce della controparte ottica di un  GRB sono stati costruiti nel corso degli anni diversi telescopi robotici. Tali telescopi sono in grado di puntare la regione di cielo dove improvvisamente è esploso un GRB solo dopo 10-30 secondi dall’arrivo del segnale gamma. Inoltre questi telescopi non hanno risoluzioni temporali sufficientemente adeguate per campionare -con dovizia di particolari- queste rapidissime emissioni.

GRB 080319B: l’oggetto più brillante fino ad oggi osservato

Il GRB 080319B è il più brillante oggetto astrofisico fino ad oggi osservato; raggiungendo una magnitudine assoluta al massimo di Mv = -38.4 si è lasciato ammirare ad occhio nudo per circa un minuto nella costellazione di Boote. Di questa esplosione, avvenuta 7.5 miliardi di anni fa quando il Sistema Solare non si era ancora formato, il telescopio TORTORA ha acquisito ben 460 immagini in un solo minuto, misurando due pulsazioni molto rapide della durata di circa 8 e 1.2 secondi, rispettivamente.  Questa ricerca è stata inclusa dalla Società Americana di Fisica fra i dieci  risultati scientifici più importanti del 2008 assieme al Large Hadron Collider di Ginevra, ed è stata pubblicata, oltre che dalla prestigiosa rivista Nature, anche dai quotidiani di tutto il mondo.

Ma prima di arrivare a questo importante risultato, diversi anni di studio e di ricerche furono spesi per mettere a punto  un “congegno” che fosse in grado di “catturare” i rapidi bagliori ottici provenienti dall’esplosioni GRBs.

Dal FIP al TORTORA


Negli anni 80, il gruppo bolognese dell’Alma Mater Studiorum (nota n. 1),  in stretta collaborazione con il team dello Special Astrophysical Observatory (nota n. 2), dell’Accademia delle Scienze Russe, comincia ad elaborare tutta una serie di strategie  di ricerca per misurare tempestivamente e con grande accuratezza le  emissioni ottiche contemporanee ai GRBs. Dagli inizi del  1989 e fino all’estate del 1996 fu progettato e costruito il fotometro FIP (Fast Imaging Photometer).  Nel 1998, si pensò di eseguire ripetute scansioni di varie regioni di cielo con differenti telescopi  ed esaminare i dati acquisiti .  Nella primavera del 2000 ci fu l’idea di utilizzare gli specchi dei telescopi Čerenkov che assicuravano un ampia copertura della volta celeste. Dal 2001 fino al 2003, con vari sostegni della Comunità Europea, si fece uno studio di fattibilità sull’utilizzo astronomico della Piattaforma  Solare di Almeria (Spagna), durante le ore notturne.

dell’Accademia delle Scienze Russe, comincia ad elaborare tutta una serie di strategie  di ricerca per misurare tempestivamente e con grande accuratezza le  emissioni ottiche contemporanee ai GRBs. Dagli inizi del  1989 e fino all’estate del 1996 fu progettato e costruito il fotometro FIP (Fast Imaging Photometer).  Nel 1998, si pensò di eseguire ripetute scansioni di varie regioni di cielo con differenti telescopi  ed esaminare i dati acquisiti.  Nella primavera del 2000 ci fu l’idea di utilizzare gli specchi dei telescopi Čerenkov che assicuravano un ampia copertura della volta celeste. Dal 2001 fino al 2003, con vari sostegni della Comunità Europea, si fece uno studio di fattibilità sull’utilizzo astronomico  della Piattaforma  Solare di Almeria (Spagna), durante le ore notturne.

Dal 2005 in poi, dal progetto FIP, con un campo di vista relativamente modesto, si passò al TORTORA e al suo prototipo FAVOR,  con campi di vista considerevolmente più ampi. La chiave di volta, per  ottenere sia un largo campo di vista e sia un elevato potere di risoluzione temporale, si ebbe combinando opportunamente un intensificatore di immagini e un TV-CCD commerciale.  Questa combinazione  permette di ottenere   461 immagini al minuto, ciascuna con una dimensione pari a circa un sesto dell’intera sfera celeste. Tutte le immagini sono consecutive (l’intervallo tra ogni scatto è minimo) e il rumore di lettura è trascurabile.  TORTORA, acronimo di Telescopio Ottimizzato per la Ricerca dei Transienti Ottici Rapidi, vide la sua prima luce nel maggio del 2006 presso L’European South Observatory (ESO) in Cile, dove è attualmente operante.  Installato sulla montatura del telescopio robotico REM (nota n. 3), come mostra la figura sopra, il TORTORA è in grado di monitorare zone di cielo osservate simultaneamente dai telescopi gamma a bordo dei satelliti Integral, Swift, Agile e Fermi. La figura in alto, nella pagina a fianco, mostra l’interfaccia grafica del sistema REM e TORTORA; la zona di cielo monitorata dal TORTORA può essere visionata in tempo reale cliccando sull’icona REM point.

Interfaccia grafica del sistema REM e TORTORA. La finestra grafica del TORTORA si attiva cliccando sull’icona REM point; www.rem.inaf.it

L’hardware e il software del TORTORA, in una notte media di osservazione, registrano ed analizzano, in maniera del tutto automatica, più di duecentoventimila immagini, per un totale di quasi 600 Gigabyte di dati processati.  Centinaia tra satelliti, meteoriti, asteroidi, stelle variabili, fenomeni transienti, come anche detriti e rottami spaziali, sono quotidianamente monitorati e catalogati,  ma il 19 Marzo del 2008, il TORTORA uscì dalla sua ordinaria routine.

Alle ore 05:45:42 UT,  Swift rivela il GRB 080319A, il primo dei quattro GRB osservati in quello stesso giorno. Dopo circa 22 minuti, ed ad una distanza di 10° dal primo, esplode un secondo GRB, 080319B, appunto.

TORTORA, grazie al suo campo di vista di 768 gradi quadrati, stava già inquadrando da 26 minuti la regione di cielo dove si sarebbe accesa improvvisamente la nuova esplosione, catturando informazioni fisiche estremamente precise sulle morte violenta delle stelle di grande massa, sulla formazione di nuovi buchi neri nell’universo e sull’evoluzione dei loro dischi di accrescimento e dei loro getti relativistici.  L’eccezionale luminosità di questo fenomeno può essere spiegata ricorrendo alla teoria del getto ad energia struttura. Un cono di piccole dimensione ed estremamente energetico è contenuto all’interno del un cono più ampio e relativamente poco energetico.  Se la linea di vista cadesse all’interno del cono più piccolo, osserveremmo un evento estremamente brillante, così come è avvenuto nel caso del GRB 080319B, se invece la nostra linea di vista intersecasse solo il cono più grande e meno energetico, osserveremmo una luminosità analoga a quelle misurate fino a questo momento. La figura sotto mostra l’Artist’s Impression del getto di emissione del GRB 080319B.

La figura a in basso mostra la curva di luce del TORTORA confrontata  con quella a più alte energie ottenuta dal telescopio BAT a bordo della missione satellitare Swift. Le due curve mostrano differenti comportamenti durante la fase di salita e di discesa (accensione e spegnimento della sorgente).  La parte centrale presenta strutture simili, ma spostate le une rispetto alle altre di quasi due secondi.

Curva di luce del naked-eye GRB 080319B (GRB visibile ad occhio nudo) acquisita dalla camera ottica a grande campo TORTORA (riquadro c) confrontata con quella a più alte energie ottenuta dal telescopio BAT a bordo della missione satellitare Swift (riquadro a). Nel riquadro b è rappresentata la curva di luce della stella di confronto utilizzata per la calibrazione nel sistema fotometrico V di Johnson.

Al momento non ci sono spiegazioni fisiche convergenti. Inoltre, i dati del TORTORA  misurano oscillazioni “quasi” periodiche. La scala di tempo della prima variabilità riflette il comportamento del motore interno che ha originato il GRB, molto probabilmente un fenomeno di hyper-accrescimento di massa da parte di un disco che circonda un buco nero di poche masse solari.

Il secondo fenomeno quasi periodico può essere il risultato di  un particolare effetto relativistico chiamato Lense-Thirring  e generato dalla rapida rotazione del buco nero  (di Kerr) appena formatosi.  Infatti, la teoria della Relatività prevede che un corpo dotato di massa produca una distorsione dello spaziotempo dovuta al proprio campo gravitazionale -come nel classico esempio della palla da bowling su un telo elastico-  e che, se il corpo è in rotazione su un proprio asse, lo spaziotempo subisca una ulteriore curvatura, deformandosi in maniera particolare, come se il tessuto spaziotemporale si avvolgesse attorno all’asse di rotazione.  È la prima volta che si misura una tale effetto per un oggetto posto a distanza cosmologica.

A compendio di questo articolo sono proposti tre video di approfondimento. Nel primo video è data una breve panoramica storica sul fenomeno GRB focalizzando il lavoro svolto dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Astronomia dell’Alma Mater Studiorum. Nei restanti due filmati, i Profs. Corrado Bartolini e Adriano Guarnieri ci racconteranno brevemente della loro quarantennale esperienza personale presso l’Università degli Studi di Bologna.

Il materiale video è stato realizzato grazie alla collaborazione di Giovanni Scala studente presso l’istituto ITIS “Luigi Di Maggio” di San Giovanni Rotondo (FG).

Video canale Youtube EAN correlati:

Conferenza prof. Corrato Bartolini sui Gamma Ray Burst – Convegno EAN di astronomia di Mirandola, 17-18-19 dicembre 2010

NOTE:

  • Nota 1: Il gruppo di ricerca del Dipartimento di Astronomia di Bologna è composto da: A. Guarnieri, C. Bartolini,  A. Piccioni e G. Greco.
  • Nota 2: Il gruppo di ricerca dell’Accademia delle Scienze Russe è composto da:  G. Beskin, S. Karpov e S. Bondar.
  • Nota 3: Il team del telescopio robotico REM è composto da: G. Chincarini, E. Molinari, F. M. Zerbi, L. A. Antonelli, S. Covino, P. Conconi, L. Nicastro, E. Palazzi, M. Stefanon, V. Testa, G. Tosti, F. Vitali, A. Monfardini, F. D’Alessio, P. D’Avanzo, D. Fugazza, G. Malaspina, S. D. Vergani, S. Campana, P. Goldoni, D. Guetta, N. Masetti, E. J. A. Meurs, L. Norci, E. Pian, A. Fernandez-Soto, L. Stella, G. Tagliaferri, G. Ihle

Il prof. Corrado Bartolini

all’Università di Bologna ha insegnato Astronomia Generale, Astronomia 2 e Fisica Stellare;
attualmente tiene i due corsi di  Fisica dei pianeti e astrobiologia.
Dal 1969 è membro delle commissioni 27 (stelle variabili)
e 42 (stelle doppie strette)
dell’Unione Astronomica Internazionale.
Dal 1976 ha studiato le stelle binarie emittenti raggi X,
successivamente si è interessato
di Pianeti extrasolari e di Gamma-Ray Burst (GRB).

Giuseppe Greco

si è laureato nel 2004 presso  l’Università di Bologna, dove, nel 2009,
ha terminato gli studi di dottorato con una borsa di studio dell’ASI.

Dal 2003 collabora con lo Special Astrophysical Observatory
dell’Accademia delle Scienze Russe per la costruzione e messa in opera
di camere ottiche a  grande campo con alto potere di risoluzione temporale.

Attualmente ha una posizione di postdoctoral presso l’INAF-Osservatorio Astronomico di Bologna.









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