L'esperimento dedicato alla polarimetria Gamma-ray Burst POLAR in cima allo spacelab cinese TiangGong-2 è stato lanciato il 15 settembre, 2016. La luce verde incandescente imita la luce scintillante quando un fotone di raggi gamma colpisce uno degli 1, 600 barre di scintillazione appositamente realizzate. L'opera d'arte si basa su una foto scattata da una telecamera situata diversi metri dietro POLAR. Credito:Istituto di Fisica delle Alte Energie
Durante la formazione di un buco nero, viene prodotta una brillante esplosione di luce molto energetica sotto forma di raggi gamma, questi eventi sono chiamati lampi di raggi gamma. La fisica alla base di questo fenomeno include molti dei campi meno compresi all'interno della fisica odierna:gravità generale, temperature estreme e accelerazione delle particelle ben oltre l'energia dei più potenti acceleratori di particelle sulla Terra.
Per analizzare questi lampi di raggi gamma, ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE), in collaborazione con il Paul Scherrer Institute (PSI) di Villigen, Svizzera, l'Istituto di Fisica delle Alte Energie di Pechino e il Centro Nazionale per la Ricerca Nucleare di Swierk in Polonia, costruito lo strumento POLAR per analizzare i lampi di raggi gamma, che è stato inviato nel 2016 al laboratorio spaziale cinese Tiangong-2. Contrariamente alle teorie prevalenti, i primi risultati di POLAR rivelano che i fotoni ad alta energia provenienti dai lampi di raggi gamma non sono né completamente caotici, né completamente organizzato, ma una miscela delle due:entro brevi intervalli di tempo, i fotoni si trovano ad oscillare nella stessa direzione, ma la direzione dell'oscillazione cambia con il tempo. Questi risultati inaspettati sono riportati in un recente numero della rivista Astronomia della natura .
Quando due stelle di neutroni si scontrano o una stella super-massiccia collassa su se stessa, si crea un buco nero. Questa nascita è accompagnata da un lampo di raggi gamma (GRB), una lunghezza d'onda della luce molto energetica come quella emessa dalle sorgenti radioattive.
L'ambiente di nascita del buco nero è organizzato o caotico?
Come e dove vengono prodotti i raggi gamma è ancora un mistero, e ci sono due scuole di pensiero sulla loro origine. Il primo prevede che i fotoni dei GRB siano polarizzati, il che significa che la maggior parte di essi oscilla nella stessa direzione. Se questo fosse il caso, la fonte dei fotoni sarebbe probabilmente un campo magnetico forte e ben organizzato formatosi durante le violente conseguenze della produzione del buco nero. Una seconda teoria suggerisce che i fotoni non siano polarizzati, implicando un ambiente di emissione più caotico. Ma come verificarlo?
"I nostri team internazionali hanno costruito il primo rivelatore potente e dedicato, chiamato POLARE, in grado di misurare la polarizzazione dei raggi gamma dai GRB. Questo strumento ci permette di saperne di più sulla loro origine, " disse Xin Wu, docente presso il Dipartimento di Fisica Nucleare e delle Particelle della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. Il suo funzionamento è semplice. È un quadrato di 50 x 50 cm 2 costituito da 1600 barre scintillatori in cui i raggi gamma si scontrano con gli atomi che compongono queste barre. Quando un fotone si scontra in un bar, possiamo misurarlo. Dopo, può produrre un secondo fotone che può causare una seconda collisione visibile. "Se i fotoni sono polarizzati, osserviamo una dipendenza direzionale tra le posizioni di impatto dei fotoni, continua Nicolas Produit, ricercatore presso il Dipartimento di Astronomia della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. Anzi, se non c'è polarizzazione, il secondo fotone risultante dalla prima collisione partirà in una direzione completamente casuale."
Ordine nel caos
In sei mesi, POLAR ha rilevato 55 lampi di raggi gamma, e lo scienziato ha analizzato la polarizzazione dei raggi gamma dai cinque più luminosi. I risultati sono sorprendenti, per non dire altro. "Quando analizziamo la polarizzazione di un lampo di raggi gamma nel suo insieme, vediamo al massimo una polarizzazione molto debole, che sembra chiaramente favorire diverse teorie, "dice Merlino Kole, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Nucleare e delle Particelle della Facoltà di Scienze dell'UNIGE e uno dei principali autori del paper.
Di fronte a questo primo risultato, gli scienziati hanno esaminato più in dettaglio un lampo gamma molto potente lungo nove secondi e lo hanno tagliato in intervalli di tempo di due secondi. "Là, abbiamo scoperto con sorpresa che, anzi, i fotoni sono polarizzati in ogni fetta, ma la direzione di oscillazione è diversa in ogni fetta, " Dice Xin Wu. È questo cambiamento di direzione che fa apparire il GRB completo come molto caotico e non polarizzato. "I risultati mostrano che quando ha luogo l'esplosione, accade qualcosa che fa sì che i fotoni vengano emessi con una direzione di polarizzazione diversa. cosa potrebbe essere, non lo sappiamo davvero, "dice Kole.
Questi primi risultati confrontano i teorici con nuove informazioni, richiedendo loro di produrre previsioni più dettagliate. "Ora vogliamo costruire POLAR-2, che sarà più grande e più preciso. Con quello, possiamo scavare più a fondo in questi processi caotici per scoprire la fonte dei raggi gamma e svelare i misteri di questi processi fisici altamente energetici, " spiega Nicolas Product.
