Un gruppo di scienziati del centro di ricerca tedesco Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ha ottenuto una panoramica incredibilmente dettagliata di una delle esplosioni più luminose del cosmo, un gamma ray burst. Il risultato è stato ottenuto grazie ai dati dell’High Energy Stereoscopic System e lo studio è stato pubblicato su Science.
«I lampi di raggi gamma sono emessi da lontane fonti extragalattiche – afferma Sylvia Zhu, una delle autrici dell’articolo – Sono le più grandi esplosioni nell’universo e sono associate al collasso di una stella massiccia in rapida rotazione in un buco nero. Una frazione dell’energia gravitazionale liberata alimenta la produzione di un’onda d’urto ultrarelativistica. La loro emissione è divisa in due fasi distinte: una fase iniziale caotica e tempestiva della durata di decine di secondi, seguita da una fase di post-incandescenza di lunga durata e gradualmente sbiadita».
Il 29 agosto 2019 i satelliti Fermi e Swift hanno rilevato un lampo di raggi gamma nella Costellazione dell’Eridano. L’evento, catalogato come Grb 190829a, si è rivelato essere uno dei lampi di raggi gamma più vicini osservati finora, a una distanza di circa un miliardo di anni luce.
La distanza relativamente breve di questo grb ha permesso misurazioni dettagliate dello spettro del bagliore residuo, che è la distribuzione dei colori o energie dei fotoni della radiazione, nell’intervallo di energia molto elevato. «Potremmo determinare lo spettro di Grb 190829a fino a un’energia di 3,3 tera-elettronvolt, che è circa un trilione di volte più energetico dei fotoni della luce visibile – spiega Edna Ruiz-Velasco del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg – Questo gamma ray burst è eccezionale per noi perché si è verificato nelle nostre vicinanze e i fotoni ad altissima energia non sono stati assorbiti nelle collisioni con la luce di fondo nel loro cammino verso la Terra, come accade su distanze maggiori nel cosmo».
Le osservazioni hanno rivelato insolite somiglianze tra i raggi X e l’emissione di raggi gamma ad altissima energia del bagliore residuo del burst. Le teorie consolidate presumono che le due componenti di emissione debbano essere prodotte da meccanismi separati: la componente a raggi X proviene da elettroni ultraveloci che vengono deviati nei forti campi magnetici dell’ambiente circostante il burst. Questo processo è abbastanza simile al modo in cui gli acceleratori di particelle sulla Terra producono raggi X luminosi per le indagini scientifiche.
Tuttavia, secondo le teorie esistenti, è improbabile che anche le esplosioni più potenti nell’universo possano accelerare gli elettroni tanto da produrre direttamente i raggi gamma ad altissima energia osservati. Ciò è dovuto a una sorta di limite di combustione, che è determinato dall’equilibrio tra accelerazione e raffreddamento delle particelle all’interno di un acceleratore. La produzione di raggi gamma ad altissima energia richiede elettroni con energie ben oltre il limite di burn-off. Le teorie attuali presumono che in un lampo di raggi gamma, gli elettroni veloci entrino in collisione con i fotoni di sincrotrone e quindi li elevino alle energie dei raggi gamma in un processo chiamato sincrotrone self-Compton.
Al contrario le osservazioni del bagliore residuo di Grb 190829a mostrano che entrambi i componenti, raggi X e gamma, sbiadiscono in sincronia. Inoltre, lo spettro dei raggi gamma corrisponde a un’estrapolazione dello spettro dei raggi X. Insieme, questi risultati sono una forte indicazione che i raggi X e i raggi gamma ad altissima energia in questo bagliore sono stati prodotti dallo stesso meccanismo.
Grb 190829a è solo il quarto lampo di raggi gamma rilevato da terra. Tuttavia, le esplosioni osservate in precedenza si sono verificate a enorme distanza da noi e il loro bagliore residuo è stato osservato solo per poche ore ciascuna e non a energie superiori a 1 tera-elettronvolt (TeV). Secondo gli astronomi, gli strumenti di prossima generazione come il Cherenkov Telescope Array che è attualmente in costruzione in Cile e alla Canarie renderanno più semplice l’osservazione di questi fenomeni e chiariranno i meccanismi che regolano la loro evoluzione.