Universe

Gamma Ray Burst come candela standard per misurare l’universo lontano

Gamma ray burst (Grb), o lampi di raggi gamma, sono intense emissioni di raggi gamma che possono durare da pochi millisecondi a diverse decine di minuti. Anche se sono passati più di 50 anni dallo loro scoperta il meccanismo dietro la loro emissione è ancora avvolto nel mistero.

In un recente studio, un team di ricercatori, guidati da Maria Dainotti dell’Università Jagellonica, in Polonia, ricercatrice senior presso Riken e presso lo Space science institute, in Colorado, è stato presentato uno strumento per caratterizzare e classificare i Grb associati alle kilonovae – fenomeni astrofisici associati ai lampi di raggi gamma di breve durata, risultato di un’esplosione tra due oggetti molto compatti, come  due stelle di neutroni, che si fondono insieme. 

gamma ray burst
Gamma ray burst

I lampi di raggi gamma sono così potenti che in pochi secondi emettono l’equivalente dell’energia emessa dal Sole durante tutta la sua vita. Sono quindi osservabili a distanze incredibilmente grandi, più di quanto possano esserlo le candele standard, oggetti astronomici di nota luminosità che vengono utilizzati come riferimento per calcolare la distanza di altri fenomeni cosmici.

L’utilizzo dei Grb come nuovo tipo di candela standard potrebbe consentire agli astronomi di studiare e comprendere questioni cosmologiche che potrebbero cambiare gli attuali modelli riguardanti la storia dell’Universo e la sua evoluzione.

Per raggiungere questo obiettivo sarà necessario comprendere il meccanismo alla base dei lampi di raggi gamma, infatti nonostante decenni di osservazioni, non è stato ancora possibile sviluppare un modello completo che sia in grado di spiegare tale processo, ma sono state proposte molte possibili cause fisiche.  

Il rilevamento dell’emissione di raggi X in coincidenza con la posizione di una kilonova, potrebbe però fornire il collegamento mancante tra i Grb di breve durata e le onde gravitazionali prodotte da tali fusioni stellari. Inoltre, l’utilizzo di Grb associati alle kilonovae rappresenta un vantaggio, infatti, gli eventi Grb-Kne hanno un processo di emissione fisica più comprensibile rispetto ad altre classi di lampi di raggi gamma osservabili.

Candele standard

Una candela standard è un oggetto astronomico per cui è facile risalire alla distanza. Deve quindi avere una luminosità calcolabile fisicamente.

Conoscere la luminosità di un oggetto è spesso fondamentale per poter trovare le distanze degli oggetti nell’astronomia extragalattica e nella cosmologia. Confrontando questa luminosità conosciuta (o la sua quantità logaritmica equivalente, la magnitudine assoluta) con la luminosità osservata (la magnitudine apparente), la distanza dell’oggetto può essere calcolata come:

dove D è la distanza espressa in kpc (kiloparsec, 103 parsec, ≈ 3.261,47086 anni luce), m è la magnitudine apparente e M è la magnitudine assoluta (entrambe nella stessa banda spettrale e a riposo). Ricordiamo inoltre che il logaritmo è espresso in base 10.

Candele vicine: Per distanze relativamente piccole le migliori e più precise candele standard sono le variabili Cefeidi, stelle giganti pulsanti la cui luminosità cambia in modo ben preciso nel corso di alcuni giorni, e osservabili fino ad una distanza di migliaia di anni luce (con piccoli telescopi) o anche parecchi milioni di anni luce (con grandi telescopi professionali e con il telescopio spaziale Hubble).

Candele intermedie: Per distanze più grandi possono essere usati molti oggetti diversi, alcuni più precisi degli altri. Al momento, gli oggetti migliori per le distanze più grandi sono le supernovae di tipo Ia, che hanno una luminosità massima ben determinata (come funzione della forma della loro curva di luce) e sono visibili a miliardi di anni luce di distanza, ma che sono altresì relativamente rare.

Lampi gamma: Nell’astronomia galattica i gamma ray burst sono usati come candele standard: a volte gli spettri di questi oggetti mostrano come il loro raggio si stia espandendo. La luminosità di picco in raggi X dovrebbe quindi corrispondere al limite di Eddington, che può essere calcolato se la massa della stella di neutroni è conosciuta (si usa in genere un valore di 1,5 masse solari). Questo metodo permette di misurare (con qualche incertezza) le distanze di alcune binarie a raggi X di piccola massa, che sono estremamente deboli in ottico e di difficile misurazione.

Dettagli

I Lampi di Raggi Gamma (Gamma Ray Bursts – GRB), fino a qualche anno fa uno dei più grandi misteri dell’astrofisica moderna, diventano ora un potente mezzo per misurare le distanze nell’Universo lontano, grazie alla scoperta di un gruppo di ricercatori dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Brera, composto da Giancarlo Ghirlanda, Gabriele Ghisellini, Claudio Firmani e Davide Lazzati, ora in forza al JILA di Boulder, Colorado.

A partire dal 2004, utilizzando un campione di 15 GRB di redshift noto (fino a z=3.2), i ricercatori milanesi hanno messo in evidenza una stretta correlazione fra l’energia totale emessa da un GRB e la frequenza alla quale ha luogo la maggior parte dell’emissione del GRB (frequenza spettrale caratteristica).

Oggi, grazie alle osservazioni condotte con il satellite Swift, frutto di una collaborazione USA-UK- Italia, in orbita dal 2004, il numero di GRB di distanza nota è salito a 33, permettendo al gruppo di ricercatori di confermare la correlazione scoperta nel 2004.

In futuro sarà sufficiente determinare osservativamente la frequenza spettrale caratteristica di un GRB per conoscerne con precisione l’energia emessa, sottolinea Ghirlanda. Dal successivo confronto tra quest’ultima e la luminosità misurata sarà possibile ricavare la distanza del GRB e della galassia che lo ospita. Questa scoperta ci permette di utilizzare i GRB come candele standard per la determinazione di distanze cosmologiche, come viene fatto con le Supernovae di tipo Ia.

In realtà della proprietà dei GRB che abbiamo evidenziato offre alla cosmologia osservativa una classe di indicatori di distanza molto più potente delle Supernovae Ia, aggiunge Ghisellini, che, nonostante siano molto affidabili, a causa della loro minore luminosità possono essere utilizzate solo fino a redshift z =1.7.

Grafico dimostrativo della correlazione fra l'energia totale emessa da un GRB (asse delle ordinate) e la frequenza alla quale ha luogo la maggior parte dell'emissione del GRB (asse delle ascisse)
Grafico dimostrativo della correlazione fra l’energia totale emessa da un GRB (asse delle ordinate) e la frequenza alla quale ha luogo la maggior parte dell’emissione del GRB (asse delle ascisse)

Grafico dimostrativo della correlazione fra l’energia totale emessa da un GRB (asse delle ordinate) e la frequenza alla quale ha luogo la maggior parte dell’emissione del GRB (asse delle ascisse)

La scoperta dal gruppo italiano permette invece di determinare le distanze in un intervallo di universo mai indagato in precedenza, ricongiungendo le misure ottenute attraverso le supernovae con quelle ricavate dall’analisi della radiazione cosmica di fondo, che porta con se le caratteristiche dell’universo prima ancora della formazione di stelle e galassie.

Nonostante la natura della correlazione trovata sia ancora misteriosa e non ci sia una valida interpretazione teorica, la sua applicazione in campo cosmologico ha già fornito risultati molto incoraggianti, che sono stati recentemente pubblicati in due lavori sulla rivista specializzata Astrophysical Journal.

Il metodo indicato prosegue Firmani ha permesso di confermare che l’universo attuale, dopo aver trascorso gran parte della sua storia rallentando la sua velocitá di espansione, si trovi ora in una fase di nuova accelerazione. E che il suo contenuto di materia ed energia si divida fra il 30% ed il 70% rispettivamente.

I risultati di Ghirlanda et al. offrono quindi una conferma indipendente delle conclusione che erano giá state raggiunte negli anni passati sia attraverso le misure basate sul metodo delle Supernovae Ia sia dall’analisi della radiazione cosmica di fondo (CMB).

L’agente responsabile di questa accelerazione, secondo le teorie correnti, sarebbe la cosiddetta energia oscura che rappresenta oggi il 70% del contenuto dell’universo (il rimanente 30% è la materia luminosa ed oscura). L’aggettivo oscura non solo indica la non-visibilitá di questo genere di energia, ma sottolinea anche l’attuale ignoranza circa la sua natura.

gamma ray burst
Elenco dei burst che definiscono il campione completo. Vengono forniti spostamenti verso il rosso (da Salvaterra et al. 2012), parametri spettrali, energie di picco del frame di riposo Epeak, energie isotropiche Eiso e luminosità Liso.

Ma é proprio la capacitá dei GRB di raggiungere enormi distanze, alle quali non é possibile osservare le Supernovae Ia perchè troppo deboli, che permetterá nei prossimi anni uno studio molto piú dettagliato su alcuni tra i piú stimolanti quesiti della cosmologia moderna: quale sia la natura dell’energia oscura e in quale epoca questa componente ha determinato la ri-accelerazione dell’universo.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. The X-ray fundamental plane of the Platinum Sample, the Kilonovae and the SNe Ib/c associated with GRBs – arXiv.org > astro-ph > arXiv:2010.02092
  2. S. A. Colgate, Supernovae as a standard candle for cosmology, in Astrophysical Journal, vol. 232, n. 1, 1979, pp. 404-408, Bibcode:1979ApJ…232..404CDOI:10.1086/157300.
  3. Carroll and Ostlie, An Introduction to Modern Astrophysics, 2007.
  4. Stephen Webb, Measuring the Universe The Cosmological Distance Ladder, 2001.
  5. Pasachoff and Filippenko, The Cosmos, 2007.
  6. Ostriker and Gnedin, The Globular Cluster Luminosity Function as a Distance Indicator: Dynamical Effects, The Astrophysical Journal, May 5, 1997.
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