Hubble studia lo scoppio di raggi gamma con la più alta energia mai vista

Il 14 gennaio 2019 un lampo gamma (Grb) è stato osservato dal satellite Swift, che ha immediatamente allertato i telescopi di tutto il mondo. Tra questi anche l’osservatorio Magic, sull’isola di La Palma, alle Canarie. In una manciata di secondi dalla sua scoperta, Magic ha puntato verso il Grb e ha iniziato a osservarlo, riuscendo così cogliere per la prima volta una straordinaria emissione di raggi gamma di altissima energia.

Un’esplosione di raggi gamma un trilione di volte più potente della luce visibile. Questo perché in pochi secondi il lampo di raggi gamma (GRB) ha emesso più energia di quella che il Sole fornirà durante la sua intera vita di 10 miliardi di anni.

Nel gennaio 2019, un GRB estremamente luminoso e di lunga durata è stato rilevato da una suite di telescopi, tra cui i telescopi Swift e Fermi della NASA , nonché dai telescopi Major Atmosferici Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) sulle isole Canarie. Sono state fatte osservazioni di follow-up con Hubble per studiare l’ambiente attorno al GRB e scoprire come viene prodotta questa emissione estrema.

“Le osservazioni di Hubble suggeriscono che questo particolare scoppio sia collocato in un ambiente molto denso, proprio nel mezzo di una galassia luminosa a 5 miliardi di anni luce di distanza. E’ davvero insolito, e l’elevata densità potrebbe essere il motivo per cui è stata prodotta questa luce eccezionalmente potente “, ha spiegato uno degli autori principali, Andrew Levan dell’Istituto di Matematica, Astrofisica e Fisica delle particelle dell’Astrofisica dell’Università di Radboud nei Paesi Bassi.

GRB 190114C
Nuove osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA hanno studiato la natura del potente scoppio di raggi gamma GRB 190114C studiando il suo ambiente. Mostrati in questa illustrazione, i lampi di raggi gamma sono le esplosioni più potenti dell’universo. Emettono la maggior parte della loro energia nei raggi gamma, luce che è molto più energetica della luce visibile che possiamo vedere con i nostri occhi. Le osservazioni di Hubble suggeriscono che questo particolare scoppio ha mostrato un’emissione così potente perché la stella che stava crollando era seduta in un ambiente molto denso, proprio nel mezzo di una galassia luminosa a 5 miliardi di anni luce di distanza.
Crediti: NASA, ESA e M. Kornmesser

“Gli scienziati hanno cercato di osservare un’emissione di energia molto elevata dalle esplosioni di raggi gamma da molto tempo”, ha spiegato l’autore principale Antonio de Ugarte Postigo dell’Instituto de Astrofísica de Andalucía in Spagna. “Questa nuova osservazione di Hubble sull’accompagnamento delle radiazioni a bassa energia provenienti dalla regione è un passo fondamentale nella nostra comprensione delle esplosioni di raggi gamma e dei loro immediati dintorni.”

Le osservazioni complementari di Hubble rivelano che il GRB si è verificato all’interno della regione centrale di un’enorme galassia. I ricercatori affermano che si tratta di un ambiente più denso di quanto normalmente osservato (per i GRB) e avrebbe potuto essere cruciale per la generazione della radiazione ad altissima energia osservata. La galassia ospite del GRB è in realtà una di una coppia di galassie in collisione. Le interazioni della galassia potrebbero aver contribuito a generare l’esplosione.

Conosciuta come GRB 190114C, alcune delle radiazioni rilevate dall’oggetto avevano la più alta energia mai osservata. Gli scienziati hanno cercato di osservare un’emissione di energia così elevata dai GRB da molto tempo, quindi questa rilevazione è considerata una pietra miliare nell’astrofisica ad alta energia, affermano i ricercatori.

Osservazioni precedenti hanno rivelato che per ottenere questa energia, il materiale deve essere emesso da una stella che collassa al 99,999% della velocità della luce. Questo materiale viene quindi forzato attraverso il gas che circonda la stella, provocando uno shock che crea lo stesso raggio gamma.

Cos’è un lampo gamma?

I lampi gamma sono le esplosioni più violente che si osservano nell’universo. Di lampi gamma se ne osservano mediamente uno al giorno, proveniente da una qualsiasi regione del cielo. Ognuno di essi si manifesta come un’improvvisa emissione di raggi gamma, di durata che tipicamente varia da qualche frazione di secondo a qualche decina di secondi. Gli astronomi ritengono che la maggior parte dei lampi gamma osservati abbiano origine durante il collasso di una stella massiccia, quando nel suo nucleo si forma un buco nero.

Per studiare questo fenomeno esistono due missioni spaziali della Nasa – Swift e Fermi – che osservano il cielo pronte a cogliere queste esplosioni non appena avvengono. Il 14 gennaio 2019 un lampo gamma è stato osservato dal satellite Swift, che ha immediatamente allertato gli osservatori astronomici di tutto il mondo. Tra questi anche l’osservatorio Magic, sull’isola di La Palma, alle Canarie.

I telescopi Magic sono stati progettati per puntare e osservare le sorgenti di raggi gamma nel cielo il più rapidamente possibile. In appena 30 secondi dalla sua scoperta, Magic ha puntato verso il lampo gamma e ha iniziato a osservarlo. Magic ha potuto così osservare per la prima volta una straordinaria emissione di raggi gamma di altissima energia: oltre 100 miliardi di volte più energetica della luce ottica proveniente dalla sorgente del lampo gamma.

Nel caso di una sorgente di raggi gamma ben nota, come la Nebulosa del Granchio, Magic rivela appena tre raggi gamma ogni 10 secondi di osservazione, ma nel caso della sorgente associata a questo lampo gamma Magic ha rivelato molte centinaia di raggi gamma nello stesso tempo. L’osservazione da parte di Magic di questo lampo gamma apre nuove prospettive per la comprensione dei processi fisici e della natura di questo fenomeno ancora in larga parte sconosciuto.

Le missioni Fermi e Swift della NASA inaugurano una nuova era nella scienza dei raggi gamma

Una coppia di esplosioni distanti scoperte dal Fermi Gamma-Ray Space Telescope della NASA e dall’osservatorio Swift di Neil Gehrels hanno prodotto la luce a più alta energia mai vista da questi eventi, chiamata lampi di raggi gamma (GRB). I rilevamenti da record, effettuati da due diversi osservatori terrestri, forniscono nuove intuizioni sui meccanismi che guidano i lampi di raggi gamma.

Gli astronomi hanno riconosciuto per la prima volta il fenomeno GRB 46 anni fa. Le esplosioni compaiono in punti casuali nel cielo circa una volta al giorno, in media.

Il tipo più comune di GRB si verifica quando una stella molto più massiccia del Sole si esaurisce. Il suo nucleo collassa e forma un buco nero, che poi fa esplodere getti di particelle verso l’esterno quasi alla velocità della luce. Questi getti trafiggono la stella e continuano nello spazio. Producono un impulso iniziale di raggi gamma – la forma di luce più energica – che in genere dura circa un minuto.

Mentre i getti corrono verso l’esterno, interagiscono con il gas circostante ed emettono luce attraverso lo spettro, dalla radio ai raggi gamma. Questi cosiddetti afterglows possono essere rilevati fino a mesi – e raramente, anche anni – dopo lo scoppio a lunghezze d’onda più lunghe.

“Gran parte di ciò che abbiamo appreso sui GRB negli ultimi due decenni è venuto dall’osservazione dei loro bagliori a energie inferiori”, ha affermato Elizabeth Hays, scienziata del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Ora, grazie a questi nuovi rilevamenti a terra, stiamo vedendo i raggi gamma dalle esplosioni di raggi gamma in un modo completamente nuovo.”

Due articoli pubblicati sulla rivista Nature descrivono ciascuna delle scoperte. Un terzo articolo analizza una delle esplosioni usando un ricco set di dati a lunghezza multipla provenienti da osservatori nello spazio e sul terreno. Un quarto documento, accettato da The Astrophysical Journal, esplora i dati di Fermi e Swift in modo più dettagliato.

Il 14 gennaio 2019, poco prima delle 16:00 EST, entrambi i satelliti Fermi e Swift hanno rilevato un picco di raggi gamma dalla costellazione di Fornax. Le missioni avvisarono la comunità astronomica della posizione dell’esplosione, soprannominata GRB 190114C.

Una struttura che ha ricevuto gli allarmi è stata l’ osservatorio Major Atmosferico Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) , situato a La Palma, nelle Isole Canarie, in Spagna. Entrambi i suoi telescopi da 17 metri si voltarono automaticamente verso il luogo dell’esplosione in dissolvenza. Hanno iniziato ad osservare il GRB appena 50 secondi dopo che è stato scoperto e catturato i raggi gamma più energici mai visti da questi eventi.

L’energia della luce visibile varia da circa 2 a 3 volt di elettroni. Nel 2013, il Large Area Telescope (LAT) di Fermi ha rilevato che la luce ha raggiunto un’energia di 95 miliardi di elettron volt (GeV), quindi la più alta vista da un’esplosione. Questo scende a meno di 100 GeV, la soglia per i cosiddetti raggi gamma ad altissima energia (VHE). Con GRB 190114C, MAGIC è diventato il primo impianto a segnalare emissioni di VHE inequivocabili , con energie fino a trilioni di elettronvolt (1 TeV). Sono 10 volte l’energia di picco che Fermi ha visto finora.

“Venti anni fa, abbiamo progettato MAGIC appositamente per la ricerca delle emissioni di VHE dai GRB, quindi questo è un enorme successo per il nostro team”, ha affermato il coautore Razmik Mirzoyan, scienziato del Max Planck Institute for Physics di Monaco e portavoce di la collaborazione MAGIC. “La scoperta dei raggi gamma TeV dal GRB 190114C mostra che queste esplosioni sono persino più potenti di quanto si pensasse prima. Ancora più importante, il nostro rilevamento ha facilitato un’ampia campagna di follow-up che ha coinvolto più di due dozzine di osservatori, offrendo importanti indizi sui processi fisici in atto nei GRB. ”

Questi includevano la missione NuSTAR della NASA , il satellite a raggi X XMM-Newton dell’Agenzia spaziale europea , il telescopio spaziale Hubble della NASA / ESA , oltre a Fermi e Swift, insieme a molti osservatori terrestri. Le immagini di Hubble acquisite in febbraio e marzo hanno catturato il bagliore ottico del burst. Mostrano che l’esplosione ha avuto origine in una galassia a spirale a circa 4,5 miliardi di anni luce di distanza. Ciò significa che la luce di questo GRB ha iniziato a viaggiare verso di noi quando l’universo era due terzi della sua era attuale.

Un altro articolo presenta osservazioni di un diverso scoppio, che Fermi e Swift hanno scoperto entrambi il 20 luglio 2018. Dieci ore dopo i loro allarmi, il sistema stereoscopico ad alta energia (HESS) ha indicato il suo grande telescopio a raggi gamma da 28 metri nella posizione di lo scoppio, chiamato GRB 180720B. Un’attenta analisi effettuata nelle settimane successive all’evento ha rivelato che HESS ha chiaramente rilevato i raggi gamma VHE con energie fino a 440 GeV . Ancora più notevole, il bagliore è continuato per due ore dopo l’inizio dell’osservazione. Catturare questa emissione così a lungo dopo il rilevamento del GRB è sia una sorpresa che un’importante nuova scoperta.

Gli scienziati sospettano che la maggior parte dei raggi gamma dei bagliori GRB provengano da campi magnetici sul bordo anteriore del getto. Gli elettroni ad alta energia che spirano nei campi emettono direttamente i raggi gamma attraverso un meccanismo chiamato emissione di sincrotrone.

grb emission
Le strutture a terra hanno rilevato radiazioni fino a un trilione di volte l’energia della luce visibile da un’esplosione cosmica chiamata scoppio di raggi gamma (GRB). Questa illustrazione mostra l’impostazione per il tipo più comune. Il nucleo di una stella massiccia (a sinistra) è crollato e ha formato un buco nero. Questo “motore” guida un getto di particelle che si muove attraverso la stella che collassa e nello spazio quasi alla velocità della luce. L’emissione rapida, che in genere dura un minuto o meno, può derivare dall’interazione del getto con il gas vicino al buco nero appena nato e dalle collisioni tra gusci di gas in rapido movimento all’interno del getto (onde d’urto interne). L’emissione del bagliore successivo si verifica quando il bordo anteriore del getto si diffonde nell’ambiente circostante (creando un’onda d’urto esterna) ed emette radiazioni attraverso lo spettro per qualche tempo – mesi o anni, nel caso della radio e della luce visibile, e molte ore alla più alta energia di raggi gamma finora osservata. Questi superano di gran lunga 100 miliardi di elettron volt (GeV) per due recenti GRB.
Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA

Ma entrambi i team HESS e MAGIC interpretano l’emissione di VHE come un distinto componente afterglow, il che significa che deve essere in corso un processo aggiuntivo. Il miglior candidato, dicono, è lo scattering inverso di Compton. Gli elettroni ad alta energia nel getto si schiantano in raggi gamma a energia inferiore e li aumentano a energie molto più elevate.

Nel documento che descrive in dettaglio le osservazioni di Fermi e Swift, i ricercatori concludono che potrebbe effettivamente essere necessario un meccanismo fisico aggiuntivo per produrre l’emissione di VHE. All’interno delle energie inferiori osservate da queste missioni, tuttavia, il diluvio dei raggi gamma del sincrotrone rende molto più difficile scoprire un secondo processo.

“Con Fermi e Swift, non vediamo prove dirette di una seconda componente di emissione”, ha dichiarato S. Bradley Cenko di Goddard, il principale investigatore di Swift e coautore dei documenti Fermi-Swift e multiwavelength. “Tuttavia, se l’emissione di VHE deriva dal solo processo di sincrotrone, allora le ipotesi fondamentali utilizzate nella stima dell’energia di picco prodotta da questo meccanismo dovranno essere riviste.”

Saranno necessarie future osservazioni a raffica per chiarire il quadro fisico. I nuovi dati VHE aprono un nuovo percorso per la comprensione dei GRB, uno che sarà ulteriormente esteso da MAGIC, HESS e una nuova generazione di telescopi a raggi gamma terrestri attualmente in fase di pianificazione.

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi è una partnership di astrofisica e fisica delle particelle gestita dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, con importanti contributi da parte di istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti.

Goddard gestisce la missione Swift in collaborazione con Penn State a University Park, il Los Alamos National Laboratory nel New Mexico e Northrop Grumman Innovation Systems a Dulles, in Virginia. Altri partner includono l’Università di Leicester e il Mullard Space Science Laboratory nel Regno Unito, l’Osservatorio di Brera e l’Agenzia spaziale italiana in Italia.

 

Riferimenti

  1. Hubble Studies Gamma-Ray Burst With Highest Energy Ever Seen – NASA’s Goddard Space Flight Center; https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/hubble-studies-gamma-ray-burst-with-highest-energy-ever-seen

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