Le esplosioni più potenti di tutto l’Universo, viste dalla Terra

Circa una volta al giorno da qualche parte nello Spazio si verifica un lampo gamma (GRB, da “gamma ray burst”), una gigantesca esplosione senza pari nell’Universo. In pochi secondi, un GRB può rilasciare una quantità di energia pari a quella che una stella come il Sole emette in tutta la sua esistenza. Anche se sono di proporzioni colossali, questi fenomeni avvengono in punti casuali ed imprevedibili del cielo, e per questo era difficile osservarli con i telescopi terrestri, almeno finora. Due gruppi di ricerca hanno infatti da poco confermato di avere rivelato per la prima volta un lampo di raggi gamma ad altissima energia con i loro strumenti sulla Terra.

Il 14 gennaio 2019, alcuni ricercatori di turno presso il Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC), il più grande telescopio a raggi gamma del mondo a La Palma (Isole Canarie), si accorsero che i telescopi spaziali Fermi e Swift in orbita intorno alla Terra avevano captato qualcosa di interessante. Velocemente, puntarono i due telescopi di MAGIC verso la giusta porzione del cielo e avviarono le osservazioni. Fu sufficiente una ventina di minuti per captare un segnale che sembrava essere un lampo gamma, il primo a essere rilevato da questa collaborazione scientifica che coinvolge oltre 20 istituti di ricerca tra Spagna, Italia, Germania, Svizzera, Stati Uniti, Finlandia, Polonia, Bulgaria e Armenia.

Dopo circa due ore, la collaborazione MAGIC pubblicò un breve messaggio online per allertare gli altri colleghi, confidando che ulteriori telescopi potessero essere puntati verso il segnale per raccogliere dati. Spiegò che l’osservazione era stata effettuata da MAGIC e che era la più intensa mai registrata dalla Terra per un lampo gamma, con emissioni di fotoni da mille miliardi di elettronvolt (1 teraelettronvolt, TeV; l’elettronvolt è un’unità di misura dell’energia).

La notizia fu accolta con entusiasmo tra gli astrofisici che da anni cercavano di rivelare GRB dalla Terra. Il gruppo di MAGIC pensava di avere ottenuto un risultato senza precedenti, ma con loro sorpresa pochi mesi dopo altri ricercatori scoprirono di avere effettuato una rivelazione simile, con un altro lampo gamma. Studiando i dati in archivio, quelli dell’High Energy Stereoscopic System (HESS) in Namibia scoprirono di avere rivelato dal suolo un GRB nel 2018, passato inizialmente inosservato. L’evento era stato talmente potente da rendere possibile la rivelazione di emissioni di fotoni da 440 gigaelettronvolt anche a un giorno e mezzo di distanza dalle prime osservazioni.

In pochi mesi, due gruppi di ricerca avevano documentato la possibilità di rivelare eventi come i lampi gamma, che avvengono in galassie lontanissime da noi, dalla Terra e non solo attraverso i telescopi spaziali in orbita intorno al nostro pianeta, dopo oltre 20 anni di tentativi. I risultati delle loro ricerche sono stati pubblicati pochi giorni fa sulla rivista scientifica Nature, in due studi (uno e due) che saranno fondamentali per descrivere e capire meglio le emissioni dovute ai GRB.

I raggi gamma sono semplici onde elettromagnetiche, ma con la caratteristica di essere il tipo di radiazione più energetica conosciuta: la loro lunghezza d’onda può essere più piccola di quella del nucleo di un atomo, a differenza delle onde radio cui siamo solitamente abituati che possono avere una lunghezza d’onda che varia da pochi millimetri a centinaia di chilometri. La loro emissione attraverso i lampi gamma avviene in luoghi remoti dell’Universo: si ipotizza che siano causati da violente esplosioni, che si verificano quando una stella massiccia termina la propria evoluzione ed esplode in una supernova, che poi collassa in un buco nero. L’energia coinvolta è inimmaginabile e si manifesta, per noi che osserviamo il fenomeno dalla Terra, come un rapido lampo di raggi gamma.

I telescopi spaziali come Swift e Fermi hanno permesso da tempo di osservare GRB dall’orbita terrestre, ma le loro capacità sono comunque limitate non potendo avere grandi superfici per captare i segnali. I telescopi a raggi gamma sulla Terra hanno parabole molto più grandi e consentono quindi di effettuare migliori osservazioni, ma devono fare i conti con la luce di fondo extra-galattica, prodotta dalle galassie e che assorbe parte della radiazione in arrivo dalla lontana fonte che l’ha emessa. In pratica, i fotoni (i componenti della luce) ad altissima energia che viaggiano nell’Universo interagiscono con la radiazione extragalattica di fondo (EBL) e producono altre particelle, che non possono essere rivelate. Inoltre, l’atmosfera terrestre assorbe parte della radiazione in arrivo dalla fonte che l’ha emessa. Per questi motivi, finora le osservazioni da Terra si erano rivelate molto difficili e avevano portato a risultati poco affidabili.

Entrambi i GRB osservati dai due gruppi di ricerca hanno avuto origine da due distinte supernovae. Nel caso di HESS, il lampo gamma è stato catalogato GRB 180720B e proviene da 6 miliardi di anni luce da noi. Il lampo gamma rivelato da MAGIC è stato invece catalogato GRB 190114C e si stima che sia provenuto da una fonte distante oltre 4,5 miliardi di anni luce dalla Terra. I due eventi avvennero quindi prima che esistesse il nostro Sistema solare, per come lo conosciamo oggi.

Oltre a essere importanti per l’osservazione dei due eventi, i risultati ottenuti da HESS e MAGIC avranno numerose ripercussioni nell’intero campo di ricerca. Grazie alle loro rivelazioni, ora sappiamo che è possibile osservare i GRB direttamente dalla Terra, anche a distanza di tempo dal momento in cui è avvenuta la loro emissione. Sarà quindi possibile osservarne un maggior numero in cielo, studiandone caratteristiche e variazioni per farsi meglio un’idea di come si sviluppano e cosa possono dirci sulla fonte che li ha generati.

Le due osservazioni raccontate su Nature ci dicono che le emissioni da GRB possono essere molto più energetiche di quanto fosse stato finora stimato. Inoltre, entrambi i gruppi di ricerca sono arrivati alla conclusione che in un lampo gamma ad altissima energia le particelle cariche trasferiscano parte della loro energia ai fotoni. Questo fenomeno si chiama “Effetto Compton inverso”, e lo ha spiegato al Post Elena Moretti, astrofisica all’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) a Barcellona e tra le scienziate di MAGIC:

L’effetto Compton inverso avviene quando un elettrone interagisce con un fotone e gli cede parte della sua energia, aumentando quella del fotone. È un processo simile a quando nel biliardo la palla bianca colpisce un’altra palla e le cede parte della sua energia. Nel caso dell’interpretazione dei dati MAGIC, crediamo che l’emissione venga da una particolare forma di questo effetto.

Anche grazie alle due importanti osservazioni, gli astrofisici confidano che entro pochi anni la rivelazione di GRB con strumentazioni terrestri diventi molto più frequente, consentendo la raccolta di un maggior numero di dati. Le nuove informazioni potrebbero aiutare i ricercatori in diversi ambiti, compresi quelli legati allo studio delle onde gravitazionali.

Un nuovo complesso di telescopi, in costruzione tra Cile e Canarie, potrebbe offrire ulteriori dati per trovare una spiegazione alle gigantesche esplosioni che si verificano ogni giorno nell’Universo. Una potrebbe essere avvenuta proprio adesso, mentre arrivavate alla fine di questo articolo. Oppure ora.