Il lampo gamma più luminoso di tutti i tempi

(di Ruben Salvaterra)

Che cosa è il Boat? A un anno di distanza dalla rivelazione del più brillante lampo nei raggi gamma di tutti i tempi, più di 50 articoli sono già stati pubblicati su questo evento eccezionale, che potrebbe rappresentare la Stele di Rosetta dei Gamma-Ray Burst.

I lampi nei raggi gamma o Gamma-Ray Burst (Grb) sono potenti flash nei raggi gamma di durata compresa tra una frazione del secondo e qualche minuto, che vengono rivelati con una frequenza di circa uno o due eventi al giorno. Al flash nelle alte energie, detto prompt, segue una lunga coda di emissione, l’afterglow, rilevabile su tutto lo spettro elettromagnetico. Si conoscono due tipi di Grb, distinti generalmente sulla base della durata, legati a differenti progenitori: i corti e i lunghi. I lampi corti sono dovuti alla fusione di due stelle di neutroni o una stella di neutroni e un buco nero di massa stellare, e sono accompagnati dall’emissione di onde gravitazionali, come dimostrato dall’associazione di Grb 170817A con Gw 170817. I Grb lunghi, invece, sono generati durante la fase di collasso di una stella di massa 20-30 volte superiore a quella del Sole e sono generalmente associati a esplosioni di supernove di tipo Ib/c. In entrambi casi, il lampo gamma è dovuto agli shock interni a un getto ultra-relativistico, mentre l’emissione di afterglow è prodotta dall’interazione del getto con il mezzo interstellare esterno. 

I GRB sono stati scoperti alla fine degli anni Sessanta grazie ai satelliti americani Vela, in orbita per monitorare il rispetto della moratoria internazionale per la fine dei test nucleari nell’atmosfera. Riconosciuti come sorgenti astrofisiche, sono diventati in breve tempo un eccitante campo di ricerca. Alla fine degli anni Novanta, grazie al satellite italo-olandese BeppoSAX che ne ha permesso per la prima volta la precisa localizzazione, si è dimostrata la loro natura cosmologica. Le grandi distanze da cui ci arrivano questi segnali indicano che i GRB rilasciano un’enorme quantità di energia: un tipico lampo gamma è in grado di emettere in pochi secondi la stessa energia prodotta dal Sole durante la sua intera esistenza.

Il Boat

Il 9 ottobre 2022 alle 13:16:59 del tempo universale, appariva nella direzione della costellazione della Freccia un evento eccezionale: Grb 221009A (il nome del Grb si riferisce alla data della rivelazione: anno, mese e giorno e una lettera maiuscola per distinguere eventi diversi rivelati nello stesso giorno). 

Questo Grb superava di gran lunga tutti i 10mila precedenti eventi raccolti in più di 50 anni di osservazioni, risultando 70 volte più brillante del precedente record. Si può stimare che un evento di tale portata si verifichi solo una volta ogni mille,- 10mila anni. Per questo motivo Grb 221009A è confidenzialmente chiamato il Boat, dall’acronimo inglese Brightest Of All the Time (“il più brillante di tutti i tempi”).

L’estrema brillantezza osservata in Grb 221009A è dovuta a una combinazione veramente rara: l’esplosione di un Grb estremamente potente a una distanza relativamente piccola dalla Terra. Infatti Grb 221009A ha un’energia intrinseca tra le maggiori mai rivelate, simile ai più luminosi lampi osservati nell’universo più lontano, ma è avvenuto a soli 1,9 miliardi di anni luce da noi. Esso rappresenta quindi una opportunità pressoché unica di studiare in dettaglio eventi che solitamente riveliamo a distanze molto maggiori, fino ai confini dell’universo conosciuto.

La curva di luce di Boat mostra un primo pulso molto luminoso, seguito da due picchi di emissione estremamente potenti, che hanno saturato la maggior parte degli strumenti atti alla rivelazione dei Grb. L’emissione si conclude infine circa otto minuti dopo il pulso iniziale con un terzo picco meno brillante ma sempre molto potente. L’evento è stato registrato da ogni satellite o strumento dedicato alla rivelazione di queste esplosioni nelle alte energie: dai cube-sat cinesi GRBalpha ai veterani dei Grb come Swift, Fermi (Nasa), Integral (Esa), Konus (Russia) e AGILE (Asi), ma anche da Solar Orbiter (Esa), GeCAM (Cina), la sonda interplanetaria Vojager I (Nasa), GAIA (Esa) e molti altri.

Particolare è il caso di XMM-Newton (Esa) che, essendo uno strumento focalizzato nei raggi X molli, non è solito rivelare i Grb e che al momento del burst puntava una regione di cielo distante ben 40 gradi dalla posizione di GRb 221009A. Nonostante questo, lo strumento Epic a bordo di XMM-Newton è stato in grado di rivelare il Boat. Infatti, i fotoni di alta energia emessi in questo evento, passando attraverso il satellite, hanno interagito con la struttura dello strumento, producendo una pioggia di particelle secondarie che sono state rivelate da Epic come un fondo strumentale. La segnatura del burst è quindi rimasta impressa nelle osservazioni di Epic, permettendo di ricostruire con precisione la parte più brillante della curva di luce del Grb

Oltre che dagli strumenti costruiti dall’uomo, Boat è stato rivelato anche attraverso gli effetti sull’atmosfera terrestre, che si è comportata come un gigantesco detector. La radiazione X e gamma emessa da Grb 221009A ha prodotto infatti un improvviso disturbo nella ionosfera rilevato nelle onde radio, simile a quanto succede per i brillamenti solari. Considerando che il burst è avvenuto a circa due miliardi di anni luce dalla Terra, si può comprendere come lo scoppio di un Grb all’interno della nostra Galassia potrebbe avere effetti distruttivi sulla nostra atmosfera e quindi sulle condizioni necessarie alla vita sulla Terra. Alcuni studi suggeriscono infatti che i Grb possano essere stati responsabili di alcune delle maggiori estinzioni di massa. Fortunatamente, la probabilità che eventi come Grb 221009A accadano a distanze di pericolo è estremamente bassa. 

La campagna osservativa

La campagna di follow-up di Boat, cioè le osservazioni a tutte le lunghezze d’onda dell’afterglow, è stata una delle più ampie di tutti i tempi nel campo dei Grb. Per la prima volta si sono anche potute sfruttare le straordinarie ottiche del James Webb Space Telescope (JWST), lanciato dalla Nasa il 25 dicembre 2021. I dati di JWST uniti a quelli di Very Large Telescope di Eso e altri telescopi e strumenti sia da terra che nello spazio, hanno evidenziato discostamenti dal modello standard di afterglow, anche se non tali da ritenere questo evento appartenente a una nuova classe. D’altra parte, Grb 221009A si presenta come un comune burst brillante della classe dei lunghi. A esso è stata recentemente associata una supernova del tutto simile a quelle che comunemente si osservano in eventi meno energetici rivelati a distanze simili. Inoltre, la galassia che ha ospitato l’evento è anch’essa tipica dei Grb lunghi: una galassia a spirale in formazione stellare non troppo massiva e di bassa metallicità, circa un decimo di quella del Sole. La bassa metallicità, che in astrofisica indica il contenuto di elementi più pesanti dell’elio, potrebbe essere la chiave per spiegare sia la rarità di eventi come Boat nell’universo locale sia la sua elevata luminosità. Infatti, galassie povere di metalli sono molto comuni nelle epoche più antiche dell’universo, ma diventano via via più rare con il procedere del tempo cosmico. I modelli di evoluzione stellare prevedono inoltre che da nubi di gas a bassa metallicità tendano a formarsi stelle più massicce e rapidamente rotanti, due elementi chiave per poter formare il potente getto ultra-relativistico che produce il lampo gamma.

Non così sorprendente quindi? In realtà due risultati inaspettati sono stati riportati. Il primo è la rivelazione del Grb alle altissime energie da parte dell’esperimento cinese Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) che evidenzia, nella prima circolare uscita a poche ore dall’evento, l’emissione di numerosi fotoni con energie tra le centinaia di GeV e la decina di TeV. In particolare, sarebbe stato osservato anche un fotone di energia pari a 18 TeV. La rivelazione di tale fotone è però problematica. Infatti, se pur emessi dalla sorgente, fotoni di così alta energia non dovrebbero poter raggiungere la Terra a causa della loro interazione con il fondo cosmico. La rivelazione di LHAASO richiederebbe quindi di modificare le leggi fondamentali della fisica oppure potrebbe provare l’esistenza di particolari particelle, gli assioni, spesso indicate come possibili componenti della materia oscura. In attesa di una conferma dell’emissione al TeV, una seconda sorpresa è venuta dall’analisi spettrale dei dati della fase prompt raccolti dallo strumento GBM a bordo del satellite Fermi (Nasa), che mostra la presenza di una riga di emissione transiente a energie del MeV mai rivelata in nessun burst precedente né prevista da alcun modello. Si ipotizza che tale riga possa essere dovuta all’annichilazione di coppie elettrone-positrone formatesi nel getto durante i pulsi più brillanti. Il suo studio fornisce quindi importanti informazioni riguardo a come si possa produrre l’immensa energia emessa durante la fase di prompt all’interno del getto ultra-relativistico.

Gli anelli nei raggi X molli

Le condizioni osservative per il follow-up di questo evento non si sono rivelate le migliori possibili. Infatti la linea di vista tra la Terra e la posizione in cielo del burst intercetta una buona porzione della Via Lattea. L’assorbimento del gas e della polvere sulla linea di vista rende quindi difficoltoso ricostruire l’emissione intrinseca del Boat alle lunghezze d’onda ottiche dove la maggior parte delle informazioni relative all’ambiente in cui il burst è esploso sono codificate. Come spesso succede, quello che per qualcuno è un problema, per altri rappresenta una opportunità. Infatti i raggi X molli del Grb vengono riflessi dalle polveri della nostra Galassia, che ne deviano la traiettoria, aumentando così il tempo che impiegano per giungere fino a noi. Si formano così degli anelli concentrici visibili nei raggi X molli, uno per ogni nube di polvere incontrata lungo la linea di vista. In questo senso, la combinazione dell’estrema brillantezza di Grb 221009A con la particolare traiettoria attraverso la Via Lattea rappresenta un’opportunità unica per lo studio delle polveri nella nostra Galassia. Grazie a osservazioni dedicate di XMM-Newton sono stati rivelati ben 21 anelli corrispondenti a polveri situate a distanze tra i 1000 e i 60mila anni luce dalla Terra. L’anello più lontano è dovuto a polvere posta al limite della nostra Galassia, a circa 4600 anni luce sopra al piano galattico in cui si trova il Sistema solare. Lo studio di questi anelli, oltre a permettere una misura indipendente della radiazione emessa dal Grb alle lunghezze d’onda dei raggi X molli, fornisce la morfologia e la composizione delle nubi di polvere della nostra Galassia. Il Boat rappresenta quindi una straordinaria opportunità non solo per studiare i lampi gamma ma anche per ricostruire una mappa delle polveri interstellari nella nostra stessa Galassia.

I risultati dell’analisi in un volume dedicato

A un anno dall’evento, i dati raccolti hanno portato alla pubblicazione di un gran numero di articoli e molti altri sono ancora in preparazione. Una parte di essi è confluita in un volume speciale dell’Astrophysical Journal, dedicato alla memoria di Alexander Kann, giovane ricercatore tedesco da sempre impegnato nelle osservazioni dei Grb e prematuramente scomparso proprio durante la raccolta dati di Grb 221009A. 

Le campagna osservativa e gli studi teorici su questo evento eccezionale sono ancora in corso. Molte ricercatrici e ricercatori Inaf, da sempre in prima linea nell’osservazione, interpretazione e modellizzazione dei Grb, hanno contribuito e stanno contribuendo allo studio del Boat. I dati raccolti e i modelli che si costruiranno su questi ci permetteranno di chiarire come questi si formano e i meccanismi di emissione dell’enorme energia veicolata da questi lampi.