L’origine dei Gamma Ray Burst veloci… e molto altro

Tra i fenomeni più misteriosi dell’Universo ci sono stati, fino a oggi, i Gamma Ray Burst (GRB), imponenti esplosioni di radiazione ad altissima energia osservati per la prima volta per caso, da satelliti spia alla ricerca di esplosioni nucleari negli anni Sessanta. Da allora, abbiamo imparato a distinguere tra GRB veloci e lenti, i primi con una durata inferiore ai due secondi, i secondi molto più lunghi, e abbiamo sviluppato molti modelli che potessero dar luogo a questi fenomeni, ma solo oggi possiamo dire di aver davvero scoperto cosa c’è alla base dei GRB veloci.

Il 17 agosto di quest’anno i tre interferometri per onde gravitazionali di LIGO e Virgo hanno quasi simultaneamente osservato un evento, il quinto dalla prima scoperta di due anni fa, con caratteristiche diverse dagli altri: questa volta non si trattava di due buchi neri di masse pari a decine di Soli, ma di due stelle di neutroni*, di cui è stato misurato un lungo balletto, a differenza degli altri casi in cui l’onda gravitazionale è durata una frazione di secondo. Già di per sé, questa osservazione è straordinaria, e lo è ancora di più grazie al fatto che essendo tutti gli strumenti attivi, è stato possibile identificare la porzione di cielo in cui è avvenuto questo evento con buona precisione.

Due secondi dopo l’arrivo dell’onda gravitazionale, nella stessa area di cielo è stato osservato un GRB veloce dai satelliti Fermi-GLAST e Integral. Il puzzle era stato finalmente composto, ma eravamo solo all’inizio di una serie di altre osservazioni strabilianti. Il doppio trigger, onda gravitazionale e GRB veloce, ha fatto sì che tutti gli osservatori del mondo dedicassero tempo ed energie per cercare di scoprire il più possibile di questa sorgente.

Via via che arrivava la notte, i grandi telescopi sulle Ande, come il Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA), il VLT Survey Telescope (VST), l’italiano Rapid Eye Mount (REM) e molti altri hanno iniziato a scandagliare quella regione di cielo per cercare di identificare una controparte ottica per l’evento di onda gravitazionale. Il primo telescopio a riuscirci è stato lo Swope, indicando la galassia NGC 4993, piccola galassia lenticolare nella costellazione dell’Idra: improvvisamente nella galassia si era accesa una stella straordinariamente brillante che fino a poco prima non c’era.

Una volta identificata la controparte ottica, tutti gli osservatori del mondo si sono concentrati su quella piccola galassia. Oltre 70 strumenti, compresi svariati in orbita, hanno puntato in quella direzione. NGC 4993 dista circa 130 milioni di anni luce: l’evento GW170817, come è stato catalogato dagli scienziati di LIGO e Virgo, era stato stimato a una distanza compatibile. Questo è stato l’evento di onde gravitazionali e il GRB veloce più vicino mai osservato: un notevole colpo di fortuna, per concederci un potenziale osservativo ideale.

L’enorme spiegamento di forze che gli scienziati hanno messo in campo non è stato vano. Nelle ore e nei giorni successivi all’evento, il punto luminoso apparso nella galassia NGC 4993 è stato studiato in tutte le possibili lunghezze d’onda, osservando il comportamento atteso per una kilonova: questo fenomeno è stato previsto circa trent’anni fa e non era mai stato osservato. Si tratta di un’esplosione di energia intermedia tra una stella nova e una supernova, caratterizzata da emissione di enormi quantità di energia rivelabile solo nell’infrarosso. Le radiazioni emesse a energia maggiore vengono infatti schermate efficacemente dai nuclei pesanti che si formano durante la disintegrazione di una stella di neutroni. Questo processo, chiamato processo-r, è alla base della formazione di elementi più pesanti del ferro: fino a masse atomiche intorno a 60, infatti, il processo di fusione è energeticamente vantaggioso, permettendo di creare nuclei via via più pesanti. Al contrario, per masse maggiori diventa energeticamente vantaggioso spezzare nuclei pesanti in nuclei leggeri, come per esempio nei fenomeni di fissione nucleare. La produzione di nuclei pesanti è quindi possibile soltanto in eventi straordinariamente energetici o in presenza di enormi quantità di neutroni. La fusione di due stelle di neutroni si è rivelata un evento di questo tipo.

Riassumendo, il 17 agosto 2017 i fisici e gli astronomi hanno osservato

  • l’emissione di onde gravitazionali dovute alla fusione di due stelle di neutroni;
  • un GRB veloce associato a questo evento di onde gravitazionali;
  • la formazione di una kilonova;
  • la nucleosintesi di elementi pesanti attraverso il processo-r.

Molte delle pagine wikipedia relative a questi fenomeni sono ancora allo stato di bozza o poco più, probabilmente nelle prossime ore e nei prossimi giorni verranno aggiornate febbrilmente, e nello stesso tempo verranno scritti nuovi capitoli per i libri di fisica e di astrofisica.

Fin dalla prima rivelazione di onde gravitazionali avevamo affermato che si apriva un nuovo capitolo dello studio dell’universo, e finalmente abbiamo iniziato a scriverlo, subito con una montagna di materiale che supera le nostre stesse aspettative!

 

* La stella di neutroni è uno dei possibili destini a cui va incontro una stella alla fine della sua vita. Una stella è fondamentalmente una palla di gas, principalmente idrogeno ed elio, che tende a collassare sotto il suo stesso peso: questo provoca riscaldamento nella parte centrale fino a rendere possibili le reazioni nucleari che producono energia e convertono idrogeno in elementi più pesanti. La radiazione prodotta in queste fusioni genera una pressione che tende a far espandere la stella: gravità e pressione di radiazione si compensano mantenendo il raggio della stella costante, almeno finché c’è carburante da bruciare. Quando questo finisce, la gravità fa collassare la stella. Se la massa è sufficientemente piccola, gli atomi che compongono la stella mantengono la loro identità e si forma una nana bianca, estremamente compatta e calda. Se la massa è compresa tra le 2 e le 3 masse solari circa, gli atomi vengono tanto compressi da provocare la fusione di protoni ed elettroni e la formazione di un numero immenso di neutroni: la stella diventa sostanzialmente un enorme nucleo atomico formato da soli neutroni, con un diametro di qualche decina di chilometri e una densità migliaia di miliardi di volte più grande rispetto a quella della materia ordinaria. Per stelle ancora più massicce il destino finale è quello di diventare buchi neri, uno stato in cui la densità è ancora più elevata, ma che conosciamo ancora molto poco.

 


Immagine di copertina: raffigurazione artistica di una kilonova (ESO/L. Calçada/M. Kornmesser)

Più informazioni (tecnicissime) qui.

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Author: Andrea Bersani

Fisico delle particelle, tecnologo all’INFN un po’ per tutte le stagioni. È molto curioso, soprattutto di cose che non gli serviranno mai sul lavoro.

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  • Roberto Rondoni

    Possiamo quindi dire che l’ipotesi che i gamma burst brevi fossero dovuti alla collisione di stelle di neutroni é (ragionevolmente) confermata? Grazie

    • Andre

      Ragionevolmente sì: l’idea circolava già da tempo, ma l’osservazione simultanea di onde gravitazionali compatibili con la coalescenza di due stelle di neutroni (il pattern è molto diverso da quello osservato per i buchi neri) è un’evidenza molto forte.

      • Roberto Rondoni

        Ne approfitto per chiederle se abbiamo i medesimi livelli di evidenza per i gamma burst lunghi, intendo i modelli che li fanno derivare da esplosioni di supernova tipo II nella direzione polare della stella. Scusi per l’OT e grazie ancora

  • Stefano Russo

    Ma i tempi con cui si sono intervallate le successive rilevazioni sono quindi compatibili con la fisica conosciuta? Voglio dire onde gravitazionali ed elettromagnetiche si sono mosse alla stessa velocità? Le onde gravitazionali sono state viste per prime perché hanno modificato lo spazio o solo perché non sapevamo dove osservare? Possiamo supporre la presenza di materia oscura fra noi e la sorgente e se si vuol dire che non interagisce con nessuna delle particelle prodotte (fotoni e gravitoni(?))?

    Comunque… Che bella la fisica!

    • Andre

      Di fatto la differenza di circa due secondi su 130 milioni di anni, anche considerando l’incertezza con cui il fenomeno avviene, è compatibile con tutto quello che conosciamo già. La presenza di materia oscura (e di energia oscura) è sostanzialmente certa, quello che non sappiamo è cosa la costituisca. In generale, supponiamo che sia perfettamente trasparente alla radiazione elettromagnetica, mentre ci aspettiamo che interagisca con il campo gravitazionale. Questo non vuol dire necessariamente che lo rallenti nella sua propagazione, però. Penso che via via che osserveremo nuovi fenomeni con gli inferferometri per onde gravitazionali avremo anche informazioni nuove sulla natura dello spazio-tempo e della materia oscura, ma temo che questa prima osservazione sia ancora insufficiente da quel punto di vista… però è già estremamente ricca, dai, se scoprono tutto in una volta non c’è più niente da fare per gli altri 😉