Per 10 anni, Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha scansionato il cielo alla ricerca di lampi di raggi gamma (GRB), le esplosioni più luminose dell'universo. Un nuovo catalogo delle esplosioni a più alta energia fornisce agli scienziati nuove informazioni su come funzionano.

"Ogni scoppio è in qualche modo unico, " disse Magnus Axelsson, un astrofisico all'Università di Stoccolma in Svezia. "Solo quando possiamo studiare grandi campioni, come in questo catalogo, che iniziamo a comprendere le caratteristiche comuni dei GRB. Questi a loro volta ci danno indizi sui meccanismi fisici al lavoro".

Il catalogo è stato pubblicato nell'edizione del 13 giugno di Il Giornale Astrofisico ed è ora disponibile online. Più di 120 autori hanno contribuito al documento, guidato da Axelsson, Elisabetta Bissaldi all'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Politecnico di Bari, Italia, e Nicola Omodei e Giacomo Vianello alla Stanford University in California.

I GRB emettono raggi gamma, la forma di luce a più alta energia. La maggior parte dei GRB si verifica quando alcuni tipi di stelle massicce esauriscono il carburante e collassano per creare nuovi buchi neri. Altri accadono quando due stelle di neutroni, resti superdensi di esplosioni stellari, unire. Entrambi i tipi di eventi catastrofici creano getti di particelle che si muovono vicino alla velocità della luce. I raggi gamma sono prodotti in collisioni di materiale in rapido movimento all'interno dei getti e quando i getti interagiscono con l'ambiente intorno alla stella.

Gli astronomi possono distinguere le due classi GRB in base alla durata dei loro raggi gamma a bassa energia. Brevi raffiche di fusioni di stelle di neutroni durano meno di 2 secondi, mentre le raffiche lunghe in genere continuano per un minuto o più. Il nuovo catalogo, che include 17 raffiche brevi e 169 lunghe, descrive 186 eventi osservati dal Large Area Telescope (LAT) di Fermi negli ultimi 10 anni.

Fermi osserva queste potenti esplosioni usando due strumenti. Il LAT vede circa un quinto del cielo in qualsiasi momento e registra i raggi gamma con energie superiori a 30 milioni di elettronvolt (MeV), milioni di volte l'energia della luce visibile. Il Gamma-ray Burst Monitor (GBM) vede l'intero cielo che non è bloccato dalla Terra e rileva emissioni a bassa energia. Tutto detto, il GBM ha rilevato più di 2, 300 GRB finora.

Di seguito è riportato un esempio di cinque eventi da record e intriganti dal catalogo LAT che hanno aiutato gli scienziati a saperne di più sui GRB.

1. GRB 081102B

La raffica corta 081102B, che si è verificato nella costellazione Bootes il 2 novembre, 2008, è il più breve GRB rilevato da LAT, della durata di appena un decimo di secondo. Sebbene questo scoppio sia apparso nel primo anno di osservazioni di Fermi, non era incluso in una versione precedente della raccolta pubblicata nel 2013.

"Il primo catalogo LAT ha identificato solo 35 GRB, " ha detto Bissaldi. "Grazie a tecniche di analisi dei dati migliorate, siamo stati in grado di confermare alcune delle osservazioni marginali in quel campione, oltre a identificare cinque volte più burst per il nuovo catalogo."

2. GRB 160623A

Esplosione di lunga durata 160623A, avvistato il 23 giugno 2016, nella costellazione del Cigno, ha continuato a brillare per quasi 10 ore a energie LAT, la raffica più lunga del catalogo. Ma alle energie più basse registrate dallo strumento GBM di Fermi, è stato rilevato per soli 107 secondi. Questa netta differenza tra gli strumenti conferma una tendenza accennata nel primo catalogo LAT. Sia per raffiche lunghe che brevi, l'emissione di raggi gamma ad alta energia dura più a lungo dell'emissione a bassa energia e avviene più tardi.

3. GRB 130427A

Il raggio gamma individuale a più alta energia rilevato dal LAT di Fermi ha raggiunto 94 miliardi di elettronvolt (GeV) e ha viaggiato a 3,8 miliardi di anni luce dalla costellazione del Leone. È stato emesso da 130427A, che detiene anche il record per il maggior numero di raggi gamma—17—con energie superiori a 10 GeV.

Un modello popolare proponeva che le particelle cariche nel getto, muovendosi quasi alla velocità della luce, incontra un'onda d'urto e cambia improvvisamente direzione, emettendo di conseguenza raggi gamma. Ma questo modello non può spiegare la luce da record di questa esplosione, costringendo gli scienziati a ripensare alle loro teorie.

I risultati originali su 130427A mostrano che lo strumento LAT ha monitorato la sua emissione per il doppio del tempo indicato nel catalogo. A causa della grande dimensione del campione, il team ha adottato la stessa analisi standardizzata per tutti i GRB, risultando in numeri leggermente diversi da quelli riportati nello studio precedente.

4. GRB 080916C

Il GRB più lontano conosciuto si è verificato a 12,2 miliardi di anni luce di distanza nella costellazione della Carena. Chiamato 080916C, i ricercatori calcolano che l'esplosione conteneva la potenza di 9, 000 supernovae.

I telescopi possono osservare i GRB a queste grandi distanze perché sono così luminosi, ma individuare la loro distanza esatta è difficile. Le distanze sono note solo per 34 dei 186 eventi del nuovo catalogo.

5. GRB 090510

La distanza nota da 090510 ha aiutato a testare la teoria di Einstein secondo cui il tessuto dello spazio-tempo è liscio e continuo. Fermi ha rilevato sia un raggio gamma ad alta energia che uno a bassa energia quasi nello stesso istante. Avendo percorso la stessa distanza nello stesso lasso di tempo, hanno mostrato che tutta la luce, non importa la sua energia, si muove alla stessa velocità attraverso il vuoto dello spazio.

"L'emissione totale di raggi gamma da 090510 è durata meno di 3 minuti, eppure ci ha permesso di sondare questa domanda fondamentale sulla fisica del nostro cosmo, " ha detto Omodei. "I GRB sono davvero uno degli eventi astronomici più spettacolari a cui assistiamo".

Cosa manca?

GRB 170817A ha segnato la prima volta luce e increspature nello spazio-tempo, chiamate onde gravitazionali, sono stati rilevati dalla fusione di due stelle di neutroni. L'evento è stato catturato dal Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), l'interferometro Virgo e lo strumento GBM di Fermi, ma non è stato osservato dal LAT perché lo strumento è stato spento mentre la navicella spaziale attraversava una regione dell'orbita di Fermi dove l'attività delle particelle è alta.

"Ora che LIGO e Virgo hanno iniziato un altro periodo di osservazione, la comunità di astrofisica sarà alla ricerca di ulteriori GRB congiunti e eventi di onde gravitazionali", ha affermato Judy Racusin, un coautore e vice scienziato del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Questo catalogo è stato un monumentale lavoro di squadra, e il risultato ci aiuta a conoscere la popolazione di questi eventi e ci prepara ad approfondire future scoperte rivoluzionarie".

Il Fermi Gamma-ray Space Telescope è una partnership di astrofisica e fisica delle particelle gestita dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, con importanti contributi di istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti.