TEMA DEL MESE

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DI PATRIZIA CARAVEO

UN LAMPO COSMICO VERAMENTE “BOAT”

È STATA RILEVATA IL 9 OTTOBRE SCORSO LA PIÙ POTENTE ESPLOSIONE DI RAGGI GAMMA

Il 9 ottobre 2022 alle 13:16:59 UTC, il Gamma-ray Burst Monitor (Gbm) del Fermi Gamma-Ray Space Telescope della Nasa ha rivelato un breve segnale che dopo circa 200 secondi ha prodotto uno straordinario numero di fotoni di alta energia. L’evento è stato registrato anche dal Burst Alert Telescope (Bat) di Swift, che aveva puntato la direzione della sorgente, rivelando una emissione nelle bande

X e ottica. Dato che la direzione della sorgente era vicina al piano galattico, nella costellazione della Freccia, si era pensato subito a una nuova brillante sorgente galattica. Questa classificazione è stata rivista quando i dati di Swift sono stati incrociati con quelli degli strumenti di Fermi. Altre osservazioni del telescopio

Xrt di Swift stavano poi mostrando che il flusso X, straordinariamente alto, diminuiva. Per chi era di turno al centro di controllo dei dati del Gbm non c’erano dubbi: era un lampo gamma di eccezionale intensità e lo strumento faceva fatica a contare i fotoni che lo colpivano. Questo spiega perché a questo lampo gamma, indicato dalla sigla GRB 221009A, è stato affibbiato il titolo di “Boat”, che significa Brightest Of All Times. E se non “di tutti i tempi”, sicuramente di tutti i 1500 lampi gamma indagati dal satellite Swift. Anche il Lat (Large Area Telescope) di Fermi aveva visto apparire una sorgente di fotoni gamma molto brillante, proprio accanto al piano della nostra Galassia.

RIVELATORI IN CRISI

Le circolari con le informazioni del burst gamma sono apparse con qualche ora di ritardo, perché molti responsabili dell’analisi dei dati erano in viaggio verso Johannesburg dove il 10 ottobre iniziava il decimo Fermi Symposium. Il Lat ha rivelato un’emissione per oltre mezz’ora dopo il trigger del Gbm e dopo circa 240 secondi ha registrato un fotone da 99 GeV, di gran lunga il fotone più energetico mai visto da un lampo gamma. È stato subito chiaro che eravamo di fronte a un evento eccezionale.

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» Un rendering del satellite Fermi che ha rivelato il potentissimo burst di raggi gamma il 9 ottobre.

Inquadra il QR per una sequenza di immagini gamma (con energie maggiori di 100 MeV) ottenuta in 10 ore di osservazione dal telescopio Lat di Fermi.

L’intensissimo flusso di fotoni di alta energia è stato visto da tutti gli strumenti X e gamma in orbita, spesso mettendo in crisi i rivelatori, progettati per rivelare flussi molto più modesti. Per GRB 221009A sono disponibili i dati di numerosi osservatori spaziali: oltre a quelli dedicati, come Swift, Fermi, Agile e Integral, sono stati raccolti da strumenti cinesi e russi, da un satellite militare americano e dalle sonde interplanetarie dell’Esa Solar Orbiter e Bepi Colombo. Inaspettatamente, GRB 221009A è stato visto anche da Gaia, lo strumento astrometrico dell’Esa in orbita intorno al punto lagrangiano L2, e dal Solar Heliospheric Observatory (Soho) dell’Esa. L’enorme flusso di fotoni X e gamma di GRB 221009A ha avuto un effetto anche sulla ionosfera terrestre, che si può considerare un enorme rivelatore di fotoni X e gamma. Trattandosi di un plasma parzialmente ionizzato, risponde in modo caratteristico all’arrivo di flussi di fotoni di alta energia. In generale sono eventi collegati ai brillamenti solari (flare), la cui radiazione di alta energia ionizza gli atomi, liberando elettroni che hanno effetto sulla propagazione delle onde radio a frequenza molto bassa (Vlf). Questi disturbi improvvisi della

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TRASFORMARSI PER SOPRAVVIVERE?

I fotoni molto energetici emessi dal GRB 221009A non dovrebbero essere osservati, a causa dell’assorbimento che subiscono durante il loro lungo viaggio, a seguito della loro interazione con i fotoni della radiazione di fondo che permea tutto lo spazio. Se i fotoni di grandissima energia incontrano un fotone del fondo di radiazione cosmica, si trasformano in una coppia elettrone positrone e… spariscono. La probabilità di “sopravvivenza” di un fotone a 18 TeV è una su un milione: il lampo gamma dovrebbe emettere più di un milione di fotoni a questa energia perché uno di essi possa arrivare fino a noi: occorre quindi trovare un meccanismo che aumenti la probabilità di sopravvivenza. Introducendo le Axion-like particle (Alp) si ottiene proprio questo effetto. Si tratta di particelle previste dalla Teoria delle stringhe, che interagiscono con i fotoni. In questo caso, i fotoni emessi da GRB 221009A si trasformano in Alp nel campo magnetico della sorgente o nelle vicinanze (si possono osservare oscillazioni fotoniAlp) e le Alp possono riconvertirsi in fotoni nella Via Lattea. Mentre i fotoni vengono assorbiti dalla radiazione di fondo, le Alp si propagano indisturbate. È come se i fotoni, mentre sono tramutati in Alp, fossero in grado di nascondersi, diventando invisibili alla radiazione di fondo. Così, i fotoni possono percorrere una distanza molto più grande senza essere assorbiti. La conferma della rivelazione di GRB 221009A a 18 TeV rappresenterebbe una grande sfida alla fisica e una forte indicazione, se non la conferma, dell’esistenza delle Alp. In figura: uno schema delle possibili interazioni dei fotoni gamma emessi dal Grb nel loro viaggio intergalattico.

Giorgio Galanti

ionosfera (Sid, Sudden Ionospheric Disturbance) vengono usati per rivelare e studiare i flare solari. In casi più rari, la ionosfera viene disturbata da fenomeni celesti come le brillanti emissioni delle magnetar o dei Soft Gamma Repeaters che sono visibili quando colpiscono la ionosfera di notte, dato che la mancanza del Sole rende il panorama ionosferico più tranquillo. GRB 221009A, invece, ha avuto un effetto simile a quello di un flare solare, causando una Sid in pieno giorno, in coincidenza con l’arrivo del lampo gamma. Purtroppo, il Boat è stato un’occasione perduta per i rivelatori Cherenkov a terra, che erano “accecati” dalla Luna piena, e nessuna emissione di neutrini è stata rivelata dagli strumenti ICEcube e KM3net. Tuttavia, le sorprese nei gamma di energia ultra-alta non sono mancate, dato che GRB 221009A è stato il primo lampo gamma a essere rivelato dallo strumento cinese Lhaaso (Large High Altitude Air Shower), che nei 2000 secondi dopo l’inizio dell’evento ha misurato 5000 fotoni con energia superiore al teraelettronvolt, fino a un massimo di 18 TeV, un vero record. Se confermato, questo risultato potrebbe avere implicazioni anche nell’ambito della fisica fondamentale (vedi il riquadro di Giorgio Galanti).

ALLA RICERCA DELLA

CONTROPARTE OTTICA

Ma torniamo alla cronistoria delle osservazioni del lampo da record. Appena è calata la sera e la sorgente è diventata visibile agli osservatori del cielo del sud, è partita la campagna di osservazione ottica. In effetti, Swift aveva già visto la controparte

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ottica, confermata anche da altri osservatori. La posizione molto vicina al piano galattico era penalizzante per l’osservazione ottica, a causa dell’assorbimento e dell’arrossamento prodotto dalla polvere interstellare. Erano passate più di 10 ore dal lampo, ma la sorgente era ancora abbastanza brillante e uno dei telescopi del Vlt dell’Eso ne ha misurato lo spettro, trovando un redshift di 0,151, corrispondente a una distanza di 2,4 miliardi di anni luce. Un evento quindi relativamente vicino, cosa che ne spiegava il flusso eccezionale. Dall’intensità del flusso e dalla distanza, si è potuta calcolare la potenza dell’evento, che equivale a 1047-1048 W, spiegabile solo con l’esplosione di una stella molto massiccia che dovrebbe avere dato origine a un buco nero. L’esperienza insegna che occorre pazienza per vedere la firma della supernova nello spettro ottico e per il Boat la ricerca è resa più difficile dall’assorbimento galattico che impedisce di vedere l’emissione della supernova.

RADIOGRAFARE LA GALASSIA

Oltre ad assorbire i fotoni ottici, la polvere galattica ha anche altri effetti; per esempio, è responsabile della formazione di cerchi concentrici intorno alle brillanti sorgenti X. Questi cerchi sono il prodotto della deviazione dei fotoni X da parte di nuvole di polvere incontrate sul loro cammino. Come dice Andrea Tiengo, sono un modo - insolito ma bellissimo - di fare una “radiografia” alle nubi della Galassia. Non sono stati solo gli ottici a seguire la sorgente. Numerosi radiotelescopi hanno rivelano la sua emissione e gli strumenti X Nu-Star e Nicer della Nasa hanno ripuntato la sorgente, arricchendo un patrimonio osservativo unico nel suo genere. Lo strumento Isgri così come il telescopio Jem-X di Integral hanno rivelato la sorgente, mentre il telescopio Xmm-Newton ha prodotto un’immagine dei cerchi prodotti dalle polveri. Anche i telescopi spaziali Webb e Hubble hanno puntato la sorgente. Il primo ha ottenuto spettri nell’infrarosso vicino e medio il 22 ottobre, mentre il secondo ha raccolto immagini in diversi filtri l’8 novembre. Nel filtro rosso la controparte è di mag. 23,61 e si nota un baffetto che potrebbe essere la galassia dove è esploso il lampo. L’analisi dei diversi filtri dimostra la presenza di un picco a 1 micron in infrarosso che potrebbe essere la conferma della presenza della supernova che si era cominciata a sospettare dall’analisi degli spettri ottici dopo circa una settimana dal lampo. Chiaramente, c’è ancora moltissimo lavoro da fare, sia per analizzare sia per interpretare l’enorme mole di dati raccolta da oltre 50 telescopi. Come sempre nella storia dei GRB, un evento di intensità eccezionale offre eccezionali opportunità per migliorare la nostra comprensione di questi fenomeni estremi. È un’occasione da non perdere, perché eventi così brillanti avvengano una volta ogni secolo. Non possiamo lasciarci sfuggire nulla.

» A sinistra: il lampo gamma

GRB 221009A osservato dal telescopio Gemini South, in Cile, il 14 ottobre.

A destra: gli anelli in banda X osservati dallo strumento Xrt di Swift un giorno dopo la prima rilevazione del GRB 221009A, in un’esposizione di circa un’ora.