5. I Gamma-Ray Burst

percorso di Elisabetta Bissaldi, Francesco de Palma, Leonardo Di Venere e Fabio Gargano

I lampi di raggi gamma o Gamma-Ray Burst (GRB) rappresentano le più grandi esplosioni dell‘Universo. Sono brevi e intensi segnali gamma che durano da frazioni di secondo a minuti, seguiti da un bagliore ritardato che si attenua lentamente, chiamato «afterglow», rilevabile in radio, luce visibile e raggi X.
I GRB sono il risultato di due tipi molto diversi di morte stellare. Si possono verificare a seguito della fusione di due dense stelle di neutroni, oppure dopo il collasso di una stella con una massa di oltre 50 volte superiore al Sole. Nel primo caso si parla di “short GRB”, ovvero lampi brevi, di durata inferiore ai due secondi, mentre del secondo di “long GRB”, di durata superiore a due secondi, tipicamente di qualche centinaio di secondi. In questi scenari, a seguito della fusione o del collasso stellare si forma una stella di neutroni che ruota rapidamente o un buco nero. Questi oggetti producono dei getti di particelle che si muovono verso l'esterno quasi alla velocità della luce. Le onde d'urto all'interno del getto si scontrano fra loro e così facendo emettono raggi gamma a bassa energia, producendo “il lampo” iniziale osservato in gamma.
Quando il getto impatta contro le nuvole di gas circostanti, viene prodotta la luce dell’afterglow. Il GRB risulta dunque osservabile da Terra se i getti “puntano” nella nostra direzione!
Lo strumento GBM di Fermi, che rappresenta un vero e proprio monitor, osserva in ogni istante tutto il cielo e può quindi “catturare” i GRB nel momento stesso della loro esplosione, misurando in questo modo la cosiddetta fase di emissione prompt, immediata. GBM osserva i GRB alle energie tipiche emesse da questi oggetti, ovvero nella banda del keV. Tuttavia, alcuni eventi particolarmente energetici, per la precisione circa 200 GRB dall’inizio della missione Fermi, sono stati osservati anche da LAT alle più alte energie, fino a 100 GeV! Questi eventi incredibili ed estremamente energetici forniscono uno sguardo senza precedenti attraverso un ampio spettro di raggi gamma, consentendo agli scienziati di studiare i processi fisici che alimentano il motore centrale e i getti espulsi a seguito dell’esplosione.

Tra i 200 GRB molto energetici osservati sia da GBM che da LAT, ve ne sono alcuni che sono diventati particolarmente famosi per le loro caratteristiche.

GRB 090510 - Si tratta di un GRB breve, osservato da Fermi nel maggio del 2010. Tra i dati raccolti da questo eventi, gli scienziati hanno potuto studiare due raggi gamma, due fotoni, uno che trasportava un milione di volte più energia dell'altro. Considerando la distanza della sorgente, si è capito che entrambi i fotoni hanno viaggiato per oltre 7 miliardi di anni luce prima di arrivare al telescopio. Nonostante percorressero questa enorme distanza, entrambi i fotoni sono stati misurati praticamente in contemporanea. Questo importante risultato spiega che fotoni di energie diverse, onde radio, infrarossi, luce visibile, raggi X e raggi gamma, viaggiano nel vuoto tutti alla stessa velocità, ovvero che la velocità della luce non dipende dalla sua energia. Tale principio in fisica è chiamato “invarianza di Lorentz”, e l’analisi di Fermi ha ne ha quindi dimostrato la validità. Gli scienziati continuano tutt’oggi a testare queste teorie dello spazio-tempo attraverso nuove sorgenti presenti nei dati di Fermi.

Fig.2 Velocità dei fotoni all'interno del getto di un GRB

Ref. https://phys.org/news/2009-10-fermi-telescope-caps-year-glimpse.html

GRB 130427A - Il “monster” GRB, scoppiato nell’Aprile 2013, è un long GRB, rappresenta il primo evento per il quale LAT è stato in grado di misurare quasi una ventina di fotoni con energie superiori ai 10 miliardi di elettrovolt, ed ha misurato radiazione gamma per oltre 20 ore dopo l’esplosione iniziale. In particolare, LAT ha osservato un fotone “da record” con un’energia pari a 94 GeV, un’energia che non era mai stata misurata prima per un fotone proveniente da un GRB. Questo ha permesso di formulare nuove ipotesi per i modelli teorici che spiegano come si muove la materia espulsa dopo l’esplosione all’interno del getto. Inoltre, l’afterglow di questo GRB è stato misurato con un gran numero di telescopi sia a terra che dallo spazio, che hanno potuto seguirne l’andamento a tutte le frequenze, dal radio, all’infrarosso, alla banda X, per settimane, Questo ha permesso di capire che questo GRB è esploso relativamente vicino alla Terra, a “solo” 3,8 miliardi di anni luce da noi!

Fig.3 GRB 130427 visto in raggi gamma dal LAT

Ref. https://www.nasa.gov/topics/universe/features/shocking-burst.html

Negli ultimi anni, il campo di ricerca dei GRB ha conquistato un’enorme popolarità grazie a due scoperte emozionanti. La prima, del 2017, coinvolge il mondo delle onde gravitazionali, mentre la seconda quello delle osservazioni da Terra con un particolare tipo di telescopi alle altissime energie: i telescopi Cherenkov.

GRB 170817A - Si tratta di un GRB breve rivelato da GBM la mattina del 17 agosto 2017. Un evento che di per sé non avrebbe suscitato molto interesse, se non fosse stato per una scoperta incredibile: un secondo prima dell’esplosione del GRB, gli interferometri del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), in America, e di Virgo, in Italia, hanno infatti misurato un’onda gravitazionale, denominata GW170817, proveniente dalla stessa direzione del GRB. Dallo studio delle caratteristiche dell’onda gravitazionale è immediatamente emerso che fosse stata prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni in un sistema binario: perfettamente in accordo con il modello teorico che spiega l’esplosione dei GRB brevi! Questa storica osservazione, che ha segnato l’avvento dell’astrofisica multi-messaggera, ha dimostrato quanto siano fondamentali le collaborazioni internazionali tra scienziati in ogni parte del mondo in grado di operare con strumenti diversi, ma tutti pronti ad osservare contemporaneamente una stessa sorgente nel cielo non solo a frequenze diverse, ma anche attraverso “messaggeri” diversi: i fotoni e le onde gravitazionali!

Fig.4 Segnale misurato da Fermi e da LIGO dell'onda gravitazionale GW170817 e del GRB associato GRB 170817A

Ref. https://www.ligo.org/detections/GW170817.php

GRB 180720B e GRB 190114C - Tra Luglio 2018 e Gennaio 2019, sono stati addirittura due i lampi gamma lunghi che hanno destato scalpore nella comunità astrofisica. Questi due eventi particolarmente brillanti hanno infatti battuto ogni precedente record e sono stati osservati a energie estremamente elevate. Per eseguire tale misura, sono necessari dei particolari telescopi, detti telescopi Cherenkov, che sfruttano l’atmosfera terrestre per osservare fotoni di energia superiore alle decine di Gigaelettronvolt. Esistono diversi telescopi di questo tipo sparpagliati in giro per il mondo, ma i due principali strumenti che hanno permesso queste due storiche osservazioni sono l’High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), che si trova in Namibia, e il Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC), situato sull’isola di La Palma, alle Canarie. H.E.S.S. ha analizzato i dati del GRB 180720B dopo parecchie ore dall’esplosione dell’evento. Era infatti giorno in Namibia quando Fermi ha allertato la comunità della presenza del GRB, visto sia da GBM che da LAT. 10 ore dopo l’esplosione, durante la notte, H.E.S.S. ha potuto puntare i suoi telescopi nella direzione del GRB ed ha osservato un segnale ad altissima energia: un afterglow mai registrato a quelle energie a tale tempo dopo il GRB!
L’osservazione di MAGIC è stata ancor più spettacolare: il GRB 190114C, anch’esso osservato sia da GBM che da LAT, è infatti esploso durante la notte per le Canarie, e i telescopi hanno potuto sfruttare un sofisticato sistema di ripuntamento rapido per seguire la posizione della sorgente e rivelare così emissione alle altissime energie dopo solo circa 1 minuto dal GRB! Uno spettacolo mai visto prima!

Fig.5 Immagine artistica dell'esplosione del GRB 190114C visto da satellite e dai telescopi MAGIC a terra

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-fermi-swift-missions-enable-a-new-era-in-gamma-ray-science