Gli scienziati hanno ottenuto la migliore visione mai vista delle esplosioni più luminose nell'universo:un osservatorio specializzato in Namibia ha registrato la radiazione più energetica e il bagliore di raggi gamma più lungo di un cosiddetto lampo di raggi gamma (GRB) fino ad oggi. Le osservazioni con l'High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) sfidano l'idea consolidata di come i raggi gamma vengono prodotti in queste colossali esplosioni stellari che sono le grida di nascita dei buchi neri, come riporta il team internazionale sulla rivista Scienza .

"I lampi di raggi gamma sono raggi X luminosi e lampi di raggi gamma osservati nel cielo, emessi da lontane sorgenti extragalattiche, " spiega la scienziata di DESY Sylvia Zhu, uno degli autori del saggio. "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 prima fase caotica di pronto intervento della durata di decine di secondi, seguito da una lunga durata, fase di post-incandescenza 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 in base alla sua data di occorrenza, si è rivelato essere uno dei lampi di raggi gamma più vicini osservati finora, con una distanza di circa un miliardo di anni luce. Per fare un confronto:il tipico lampo gamma si trova a circa 20 miliardi di anni luce di distanza. "Eravamo davvero seduti in prima fila quando è avvenuto questo lampo di raggi gamma, " spiega il co-autore Andrew Taylor di DESY. Il team ha catturato il bagliore dell'esplosione immediatamente quando è diventato visibile ai telescopi H.E.S.S.. "Abbiamo potuto osservare il bagliore residuo per diversi giorni e a energie di raggi gamma senza precedenti, " riferisce Taylor.

La distanza relativamente breve di questo lampo gamma ha permesso misurazioni dettagliate dello spettro del bagliore residuo, che è la distribuzione dei "colori, " o energie dei fotoni, della radiazione nella gamma di energia molto alta. "Potremmo determinare lo spettro di GRB 190829A fino a un'energia di 3,3 tera-elettronvolt, è circa un trilione di volte più energetico dei fotoni della luce visibile, " spiega la coautrice Edna Ruiz-Velasco del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg. "Questo è ciò che rende così eccezionale questo lampo di raggi gamma:è successo nel nostro cortile cosmico dove i fotoni ad altissima energia non sono stati assorbiti in collisioni con la luce di fondo nel loro cammino verso la Terra, come accade su distanze maggiori nel cosmo."

La squadra potrebbe seguire l'ultimo bagliore fino a tre giorni dopo l'esplosione iniziale. Il risultato è stato una sorpresa:"Le nostre osservazioni hanno rivelato curiose somiglianze tra i raggi X e l'emissione di raggi gamma ad altissima energia del bagliore residuo del burst, " riferisce Zhu. 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 di "sincrotrone" è abbastanza simile a come gli acceleratori di particelle sulla Terra producono raggi X luminosi per le indagini scientifiche.

Però, secondo le teorie esistenti sembrava molto improbabile che anche le più potenti esplosioni nell'universo potessero accelerare gli elettroni abbastanza da produrre direttamente i raggi gamma ad altissima energia osservati. Ciò è dovuto a un "limite di burn-off, " 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. Invece, le teorie attuali presumono che in un lampo di raggi gamma, gli elettroni veloci si scontrano con i fotoni di sincrotrone e quindi li aumentano alle energie dei raggi gamma in un processo chiamato sincrotrone self-Compton.

Ma le osservazioni del bagliore residuo di GRB 190829A ora mostrano che entrambi i componenti, raggi X e raggi gamma, sbiadito in sincronia. Anche, lo spettro dei raggi gamma corrispondeva chiaramente a un'estrapolazione dello spettro dei raggi X. Insieme, questi risultati sono una forte indicazione che i raggi X ei raggi gamma ad altissima energia in questo bagliore sono stati prodotti dallo stesso meccanismo. "È piuttosto inaspettato osservare caratteristiche spettrali e temporali così notevolmente simili nelle bande di energia dei raggi X e dei raggi gamma ad altissima energia, se l'emissione in questi due intervalli di energia avesse origini diverse, ", afferma il coautore Dmitry Khangulyan della Rikkyo University di Tokyo. Ciò pone una sfida per l'origine del sincrotrone auto-Compton dell'emissione di raggi gamma ad altissima energia.

L'implicazione di vasta portata di questa possibilità evidenzia la necessità di ulteriori studi sull'emissione post-incandescenza di GRB ad altissima energia. GRB 190829A è solo il quarto lampo di raggi gamma rilevato da terra. Però, le esplosioni rilevate in precedenza si sono verificate molto più lontano nel cosmo e il loro bagliore residuo è stato osservato solo per poche ore ciascuna e non a energie superiori a 1 tera-elettronvolt (TeV). "Guardando al futuro, le prospettive per il rilevamento di lampi di raggi gamma da parte di strumenti di nuova generazione come il Cherenkov Telescope Array che è attualmente in costruzione nelle Ande cilene e nell'isola canaria di La Palma sembrano promettenti, ", afferma il portavoce di H.E.S.S. Stefan Wagner di Landessternwarte Heidelberg. "L'abbondanza generale di lampi di raggi gamma ci porta ad aspettarci che le rilevazioni regolari nella banda ad altissima energia diventino piuttosto comuni, aiutandoci a comprendere appieno la loro fisica."