In un batter d'occhio, una stella massiccia a più di 2 miliardi di anni luce di distanza ha perso un milione di anni di lotta contro la gravità ed è crollata, innescando una supernova e formando un buco nero al suo centro.

Questo buco nero appena nato ha eruttato un lampo fugace ma sorprendentemente intenso di raggi gamma noto come un lampo di raggi gamma (GRB) verso la Terra, dove è stato rilevato dall'Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA il 19 dicembre 2016.

Mentre i raggi gamma dell'esplosione scomparivano alla vista sette secondi dopo, lunghezze d'onda più lunghe della luce dall'esplosione, inclusi i raggi X, luce visibile, e radio, hanno continuato a brillare per settimane. Ciò ha permesso agli astronomi di studiare le conseguenze di questo evento straordinariamente energetico, noto come GRB 161219B, con molti osservatori a terra, compreso il Very Large Array della National Science Foundation.

Le capacità uniche dell'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), però, ha permesso a un team di astronomi di effettuare uno studio esteso di questa esplosione a lunghezze d'onda millimetriche, acquisire nuove conoscenze su questo particolare GRB e sulle dimensioni e la composizione dei suoi potenti getti.

"Poiché ALMA vede in una luce di lunghezza d'onda millimetrica, che trasporta informazioni su come i getti interagiscono con la polvere e il gas circostanti, è una potente sonda di queste violente esplosioni cosmiche, " disse Tanmoy Laskar, un astronomo dell'Università della California, Berkeley, e Jansky Postdoctoral Fellow del National Radio Astronomy Observatory. Laskar è l'autore principale dello studio, che appare in Giornale Astrofisico .

Queste osservazioni hanno permesso agli astronomi di produrre il primo film time-lapse di ALMA di un'esplosione cosmica, che ha rivelato un'onda d'urto inversa sorprendentemente di lunga durata dall'esplosione che riecheggia attraverso i getti. "Con la nostra attuale comprensione dei GRB, normalmente ci aspetteremmo che uno shock inverso duri solo pochi secondi. Questo è durato una buona parte di un'intera giornata, " ha detto Laskar.

Uno shock inverso si verifica quando il materiale espulso da un GRB dai suoi getti scorre nel gas circostante. Questo incontro rallenta il materiale in fuga, mandando un'onda d'urto nel jet.

Poiché si prevede che i getti non durino più di pochi secondi, uno shock inverso dovrebbe essere un evento altrettanto breve. Ma ora sembra non essere così.

"Per decenni, gli astronomi pensavano che questo shock inverso avrebbe prodotto un brillante lampo di luce visibile, che finora è stato davvero difficile da trovare nonostante attente ricerche. Le nostre osservazioni ALMA mostrano che potremmo aver cercato nel posto sbagliato, e che le osservazioni millimetriche sono la nostra migliore speranza di catturare questi fuochi d'artificio cosmici, " ha detto Carole Mundell dell'Università di Bath, e co-autore dello studio.

Anziché, la luce dello shock inverso brilla più intensamente alle lunghezze d'onda millimetriche su scale temporali di circa un giorno, che è molto probabilmente il motivo per cui è stato così difficile da rilevare in precedenza. Mentre la prima luce millimetrica è stata creata dallo shock inverso, i raggi X e la luce visibile provenivano dall'onda d'urto che precedeva il jet.

"Ciò che era unico in questo evento, "Laskar aggiunge, "è che quando lo shock inverso è entrato nel jet, ha trasferito lentamente ma continuamente l'energia del getto nell'onda d'urto in avanti, causando la dissolvenza dei raggi X e della luce visibile molto più lentamente del previsto. Gli astronomi si sono sempre perplessi da dove provenga questa energia extra nell'onda d'urto. Grazie ad ALMA, sappiamo che questa energia, fino all'85% del totale nel caso di GRB 161219B, è nascosta nel materiale che si muove lentamente all'interno del getto stesso."

La brillante emissione dello shock inverso svanì nel giro di una settimana. L'onda d'urto poi ha brillato attraverso la banda millimetrica, dando ad ALMA la possibilità di studiare la geometria del getto.

La luce visibile dell'onda d'urto in questo momento critico, quando il deflusso è rallentato quanto basta perché tutto il getto diventi visibile sulla Terra, è stato oscurato dalla supernova emergente dalla stella esplosa. Ma le osservazioni di ALMA, non gravato dalla luce di una supernova, ha permesso agli astronomi di limitare l'angolo di apertura del deflusso dal getto a circa 13 gradi.

Comprendere la forma e la durata del deflusso dalla stella è essenziale per determinare la vera energia dell'esplosione. In questo caso, gli astronomi scoprono che i getti contengono tanta energia quanta ne emette il nostro Sole in un miliardo di anni.

"Questa è una quantità fantastica di energia, ma in realtà è uno degli eventi meno energetici che abbiamo mai visto. Perché sia ​​così rimane un mistero, "dice Kate Alexander, a graduate student at Harvard University who led the VLA observations reported in this study. "Though more than two billion light-years away, this GRB is actually the nearest such event for which we have measured the detailed properties of the outflow, thanks to the combined power of ALMA and the VLA."

The VLA, which observes at longer wavelengths, continued observing the radio emission from the reverse shock after it faded from ALMA's view.

This is only the fourth gamma-ray burst with a convincing, multi-frequency detection of a reverse shock, notano i ricercatori. The material around the collapsing star was about 3, 000 times less dense than the average density of gas in our galaxy, and these new ALMA observations suggest that such low-density environments are essential for producing reverse shock emission, which may explain why such signatures are so rare.

"Our rapid-response observations highlight the key role ALMA can play in following up transients, revealing the energy source that powers them, and using them to map the physics of the universe to the dawn of the first stars, " concludes Laskar. "In particular, our study demonstrates that ALMA's superb sensitivity and new rapid-response capabilities makes it the only facility that can routinely detect reverse shocks, allowing us to probe the nature of the relativistic jets in these energetic transients, and the engines that launch and feed them."