La distanza dei “lampi” di luce gamma: storia di un’affascinante avventura scientifica

gennaio 01, 2012  |   AstronomiaNova   |     |   0 Commenti

di Stefano Covino

Fig. 1: Un satellite della serie Vela in laboratorio.

Sarebbe stata un’esperienza interessante essere parte, negli anni’ 60, del gruppo di scienziati responsabili dei satelliti di primo allarme lanciati dagli Stati Uniti. Si tratta di una serie di satelliti noti come serie “Vela” (fig. 1) ed il cui scopo era quello di controllare il rispetto da parte dell’Unione Sovietica del trattato di non proliferazione nucleare. A tutti gli effetti la firma di quel trattato fu uno dei primi tentativi di tenere sotto controllo gli effetti nefasti della guerra fredda e, nello specifico, il potenziale devastante per l’ecosistema terrestre delle esplosioni nucleari sulla superficie della terra, anche se non in contesto bellico, condotte dalle due superpotenze.

Tuttavia quegli scienziati ebbero ben presto una sorpresa, in quanto quei satelliti registrarono dei lampi di luce gamma della durata di pochi secondi, una caratteristica delle esplosioni nucleari, diverse volte alla settimana. Non ci volle molto, naturalmente, per rendersi conto che non si trattava di esperimenti nucleari a terra ma eventi provenienti dallo spazio. Dopo alcuni anni di osservazioni, nel 1973, studiando in maggiore dettaglio gli eventi visti da più di un satellite contemporaneamente per avere dati di migliore affidabilità, viene pubblicato il primo articolo scientifico sui lampi di luce gamma, o come si dice in inglese Gamma-Ray Burst (GRB). Nasce quindi una quarantina d’anni fa, per mezzo di osservazioni per certi versi casuali, una dei settori di ricerca più vitali ed innovativi della moderna astrofisica!

I GRB sono dal punto di vista osservativo emissioni di raggi gamma, onde elettromagnetiche ad energie milioni di volte maggiori di quelle della luce visibile, di durata molto breve, da frazioni di secondo a qualche minuto. In questi brevi istanti questi oggetti diventano le più brillanti sorgenti del cielo. Fin da subito ci si rese conto che i processi fisici in grado di generare tale flusso di radiazioni dovevano essere diversi da quelli all’opera ad esempio nelle stelle. Tuttavia non si ebbe per molto tempo alcuna idea della provenienza, e quindi della distanza, degli oggetti in grado di generare questa emissione. Esistevano di fatto almeno due famiglie di teorie in competizione. Una ipotizzava che questi eventi avessero origina da una qualche popolazione di oggetti nella nostra Galassia. L’altra suggeriva che fossero eventi provenienti da distanze cosmologiche, e quindi caratterizzati da un’energia intrinseca prodigiosa.

Per poter avere una prima risposta a questa domanda si dovette attendere la prima metà degli anni ’90 quando fu lanciato un satellite dalla NASA completamente dedicato alle osservazioni di radiazione di alta energia: il satellite Compton Gamma-Ray Observatory (GRO). Si trattava di un complesso di strumenti di osservazione molto avanzato per l’epoca e dopo alcuni anni di osservazioni sistematiche, registrando la provenienza di qualche migliaio di GRB, si ottenne una notevole scoperta. La direzione di provenienza dei GRB sembrava essere del tutto isotropa in cielo (fig. 2), ovvero i GRB non sembravano provenire da zone privilegiate del cielo ma mostravano una rimarchevole uniformità.

Fig. 2. La distribuzione in cielo di 2512 GRB rivelati dallo strumento denominato BATSE a bordo del satellite Compton.

La conseguenza di questa scoperta fu subito chiara. Se osserviamo il cielo notturno vediamo che le stelle non sono distribuite uniformente ma esistono zone molto più ricche di stelle. In particolare la fascia della Via Lattea, il piano della nostra Galassia visto dalla Terra, appare prominente e ben visibile sotto cieli limpidi e lontano da luci artificiali.

In realtà tutto questo rispecchia la forma della Via Lattea ed il fatto che il Sole è in una posizione non centrale nel nostro sistema. Ed a parte le stelle visibili ad occhio nudo o con un binocolo, questo vale per il gas, le polveri ed in generale per quasi ogni oggetto astrofisico galattico. Al contrario, come confermato da osservazioni sempre più accurate, su grande scala le galassie riempiono l’universo in maniera del tutto omogenea, e di fatto ogni direzione di osservazione è in media del tutto equivalente alle altre. Apparve così naturale associare i GRB a galassie od oggetti parte di galassie a distanze cosmologiche, e quindi i GRB stessi oltre ad essere per brevi istanti gli oggetti più brillanti del cielo divennero anche le sorgenti intrinsecamente più potenti.

Tuttavia era sempre (marginalmente) possibile tentare di associare i GRB a qualche popolazione ancora sconosciuta di oggetti parte dell’alone della nostra Galassia. Se questo alone si estendesse a sufficienza potrebbe in effetti simulare una distribuzione quasi isotropa in quanto la distanza del Sole dal centro della Galassia,  centro di simmetria dell’alone, sarebbe ben poca cosa rispetto alle dimensioni dello stesso.

La prova definitiva invece dell’origine cosmologica dei GRB avvenne però solo pochi anni dopo, nel 1997, ad opera di un satellite lanciato dall’Agenza Spaziale Italiana per l’osservazione ad alta energie: BeppoSAX.

SAX era dotato di un’ampia serie di strumenti diversi per l’osservazione del cielo X e gamma, ma soprattutto aveva una caratteristica tecnologica estremamente innovativa: la capacità di cambiare direzione di puntamento in poche ore senza preavviso anziché in giorni o settimane come era stato fino ad allora.

Il problema principale nell’osservazione dei GRB era, ed è tutt’ora, il carattere improvviso ed imprevedibile di questi eventi.

Di fatto, quindi, non sappiamo che zona di cielo osservare con i nostri telescopi fino a che il GRB non è stato rilevato da un satellite per alte energie. Ai raggi gamma,  però, gli strumenti hanno tipicamente una ridotta capacità di misurare posizioni con precisione e l’errore sulla stessa è quindi troppo grande per usare con efficacia, per esempio, un telescopio ottico.

Alcuni scienziati avevano predetto, per altro, che dopo l’evento principale ai raggi gamma ci potesse essere una seconda fase di emissione molto meno intensa ma osservabile a tutte le frequenze (raggi X, ottico, radio, ecc.) e di durata molto maggiore: da diverse ore ad alcuni mesi a seconda della banda.

Questa fase è nota in inglese come afterglow. Con la capacità di ripuntare relativamente velocemente, SAX era quindi in grado di verificare questa previsione grazie a dei telescopi a raggi X a bordo del satellite che potevano osservare solo una ridotta zona di cielo, in cambio però di una risoluzione molto migliore.

L’occasione migliore arrivò il 28 febbraio 1997 con un intenso GRB che fu quindi ripuntato in circa 8 ore per scoprire al centro del campo di vista dei telescopi X una nuova sorgente che stava velocemente decrescendo di luminosità (figura 3). Il previsto afterglow!

Fig. 3. Immagini di BeppoSAX il 28 febbraio ed il 3 marzo 1997 dell’afterglow del GRB scoperto il 28 febbraio 1997 (GRB970228). Si vede chiaramente la presenza di una sorgente la cui luminosità decade velocemente.

Con l’accurata posizione ottenuta con i telescopi X anche molti telescopi da terra furono puntati verso questa sorgente ed anche nell’ottico fu rivelata l’emissione dell’afterglow. Fu possibile però fare anche altro, ovvero ottenere uno spettro della sorgente ed identificare nello stesso delle righe di assorbimento attribuite alla galassia che ospitava l’oggetto che ha generato il GRB. Con l’applicazione di normali tecniche spettroscopiche quindi si poté misurare lo spostamento verso il rosso di questa galassia ed in conseguenza, con grande precisione, la distanza. E si ebbe così la tanto cercata conferma con una misura diretta dell’origine cosmologica dei GRB. La distanza risultò essere di qualche miliardo di anni luce, ovvero molto più lontana delle stelle della nostra galassia (fino a circa centomila anni luce) o delle galassie vicine (qualche milione di anni luce). I GRB aprivano la prospettiva di studiare delle sorgenti di luce così intense da essere osservabili, anche se solo per pochi giorni, da praticamente tutto l’universo osservabile diventando in breve obiettivo primario degli studi cosmologici.

Ma cosa in definitiva sono i GRB? Ancora molti dettagli ci sfuggono, e forse è più corretto dire che cominciamo solo ora ad avere delle idee affidabili sulla natura di questi oggetti. Quello che è certo è che una certa percentuale di essi sono associati al collasso di una stella di grande massa, 20-30 volte almeno il nostro Sole. In alcuni casi queste stelle terminano la loro vita evolutiva con un’esplosione di supernova molto peculiare ed estremamente energetica, le cosiddette ipernove. Il fenomeno è decisamente complesso, ma si pensa che nelle regioni polari queste supernove possano emettere due getti in direzioni opposte con materia lanciata a velocità molto vicine a quella della luce.

Se accade che la Terra sia nella direzione di uno di questi getti, noi non osserveremmo la supernova a causa dell’enorme distanza e al contrario saremmo investiti dalla radiazione emessa dal getto che per effetti relativistici ci apparirebbe per lo più ai raggi gamma. Alcune disomogeneità nella generazione del getto dovrebbero poter rendere conto della variabilità osservata durante il GRB vero e proprio, mentre successivamente il getto che ancora si muove a velocità relativistiche dovrebbe cominciare ad interagire con il mezzo interstellare attorno al progenitore dando luogo all’emissione ritardata nota come afterglow (figura 4).

Fig. 4. Uno schema esemplificativo di come viene modellato un GRB. Un getto ultrarelativistico, velocità vicine a quelle della luce, viene emesso ed interazioni fra varie componenti del getto danno luogo al GRB vero e proprio. Successivamente, con vari fenomeni molto complessi da descrivere, il getto interagisce con il mezzo interstellare generando l’afterglow.

E’ abbastanza interessante notare che un fenomeno simile si pensa possa avvenire anche se invece di avere una stella di grande massa abbiamo un sistema binario stretto di due oggetti compatti, stelle di neutroni o buchi neri. Sistemi del genere con stelle di neutroni sono stati in effetti osservati e l’orbita delle due stelle tende a restringersi per l’emissione di onde gravitazionali. A lungo andare i due oggetti dovrebbero coalescere l’uno sull’altro formando un sistema dove ancora, durante le fasi della veloce interazione, possono formarsi due getti opposti con in parte le stesse caratteristiche dei precedenti.

Di conseguenza ci potrebbe essere anche la possibilità che il fenomeno GRB possa essere espressione di diversi canali evolutivi anche se sempre coinvolgenti fenomeni di collasso gravitazionale, la cui comprensione senza dubbio richiede uno sforzo concettuale ed osservativo ancora solo agli inizi.

Conferenza di Stefano Covino, “I Gamma-Ray Burst: fisica estrema e sonde per l’universo cosmologico”.

Registrazione del CONVEGNO EAN di ERBA, 14-15 novembre 2009. Durata 31 minuti.

Stefano Covino nasce nel 1964. In piena era spaziale, come si diceva con un po’ di enfasi, ma lui non ne era allora cosciente sebbene l’eco e l’eccitazione per le missioni Apollo lo ha accompagnato per tutta l’infanzia (prolungatasi probabilmente fino a pochi anni fa’). Laureato in fisica e dottorato in astronomia all’Università degli Studi di Milano, sotto la direzione di Laura Pasinetti, ha cominciato fin da subito ad essere parte di collaborazioni internazionali sostenendo diversi periodi di lavoro in istituti esteri. Di formazione è un astrofisico stellare, con particolare attenzione allo studio delle popolazioni stellari, ma con il tempo si è sempre più avvicinato all’astrofisica delle alte energie divenendo parte del gruppo ricerca dedicato presso INAF – Osservatorio Astronomico di Brera. E’ quindi divenuto membro della collaborazione Swift, volta allo sfruttamento scientifico dei dati di questa missione, lanciata nel 2004 e tutt’ora proficuamente attiva, frutto di una collaborazione tri-nazionale fra Stati Uniti, Regno Unito ed Italia. “Principal Investigator” in numerossime occasioni di progetti osservativi volti allo studio di GRB, dal 2007 è divenuto membro della collaborazione MAGIC volta allo studio di raggi gamma di altissima energia attraverso la radiazione Cerenkov da essi prodotta in atmosfera. Si è occupato però anche di sviluppi tecnologici come responsabile del software per il telescopio robotico a puntamento veloce REM, al momento operativo presso l’osservatorio di La Silla dell’ESO (Cile).

Sposato con un bravo medico pneumologo che, fortunatamente, lo costringe a casa per almeno  il 50% del suo tempo, è stato fino al matrimonio un attivo alpinista sebbene tutt’ora, occasionalmente, non disegni pareti e vette insieme alla relatività e la fisica dei processi radiativi.









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