I lampi di raggi gamma (GRB) sono esplosioni cosmiche brevi ed estremamente potenti, apparendo improvvisamente nel cielo, circa una volta al giorno. Si pensa che derivino dal collasso di stelle massicce o dalla fusione di stelle di neutroni in galassie lontane. Cominciano con un iniziale, flash molto luminoso, chiamato l'emissione rapida, con una durata che va da una frazione di secondo a centinaia di secondi. La pronta emissione è accompagnata dalla cosiddetta postluminescenza, un'emissione meno brillante ma più duratura su un'ampia gamma di lunghezze d'onda che svanisce con il tempo. Il primo GRB rilevato dai telescopi MAGIC, noto come GRB 190114C, rivela per la prima volta i fotoni a più alta energia misurati da questi oggetti.

Questo risultato rivoluzionario di MAGIC fornisce nuove informazioni fondamentali per comprendere i processi fisici al lavoro nei GRB, che sono ancora misteriosi. I fotoni rilevati da MAGIC devono provenire da un processo mai visto negli ultimi bagliori dei GRB, chiaramente distinto dal processo fisico che è noto per essere responsabile della loro emissione a energie più basse. (Vedi le note a margine per maggiori informazioni sui GRB, postumi, emissione di sincrotrone, e i telescopi MAGIC)

Rilevamento MAGIC e osservazioni multi-lunghezza d'onda di GRB 190114C

Il 14 gennaio, 2019, un GRB è stato scoperto indipendentemente da due satelliti spaziali:il Neil Gehrels Swift Observatory e il Fermi Gamma-ray Space Telescope. L'evento è stato chiamato GRB 190114C, ed entro 22 secondi, le sue coordinate nel cielo furono distribuite come avviso elettronico agli astronomi di tutto il mondo, compresa la Collaborazione MAGIC, che gestisce due telescopi Cherenkov di 17 m di diametro situati a La Palma, Spagna. Poiché i GRB appaiono in posizioni imprevedibili nel cielo e poi svaniscono rapidamente, la loro osservazione da telescopi come MAGIC richiede una strategia di follow-up dedicata.

Un sistema automatico elabora in tempo reale gli allarmi GRB provenienti dagli strumenti satellitari e fa puntare rapidamente i telescopi MAGIC alla posizione celeste del GRB. I telescopi sono stati progettati per essere molto leggeri e in grado di riorientarsi velocemente:nonostante il peso di 64 tonnellate ciascuno, possono raggiungere e iniziare a osservare qualsiasi posizione nel cielo in appena 25 secondi circa. MAGIC è stata in grado di avviare l'osservazione di GRB 190114C appena 50 secondi dopo l'inizio del GRB.

L'analisi dei dati risultanti per le prime decine di secondi rivela l'emissione di fotoni nell'afterglow che raggiungono energie di teraelettronvolt (TeV), questo è, un trilione di volte più energetico della luce visibile. Durante questo periodo, l'emissione di fotoni TeV da GRB 190114C era 100 volte più intensa della più brillante fonte stabile conosciuta alle energie TeV, la Nebulosa del Granchio. In questo modo, GRB 190114C è diventato il detentore del record come la più brillante fonte conosciuta di fotoni TeV. Come previsto per gli afterglow GRB, l'emissione svanì rapidamente con il tempo, simile all'emissione di bagliore che era stata conosciuta a energie più basse. Gli ultimi scorci sono stati visti da MAGIC mezz'ora dopo.

Per la prima volta, il rilevamento univoco di fotoni TeV da un GRB è stato annunciato dalla MAGIC Collaboration alla comunità internazionale di astronomi solo poche ore dopo gli avvisi del satellite, dopo un attento controllo dei dati preliminari. Ciò ha facilitato una vasta campagna di osservazioni di follow-up multi-lunghezza d'onda (MWL) di GRB 190114C da oltre due dozzine di osservatori e strumenti, fornendo un quadro osservativo completo di questo GRB dalla banda radio alle energie TeV. In particolare, osservazioni ottiche hanno permesso di misurare la distanza dal GRB 190114C. È stato scoperto che questo GRB si trova in una galassia dalla quale ci sono voluti 4,5 miliardi di anni perché la luce raggiungesse la Terra.

Fotoni a più alta energia da un processo di emissione appena rivelato

Sebbene l'emissione di TeV negli afterglow di GRB fosse stata prevista in alcuni studi teorici, era rimasto a lungo osservativamente elusivo, nonostante le numerose ricerche alle energie del TeV negli ultimi decenni con vari strumenti, compreso MAGICO. Quale meccanismo fisico c'è dietro la produzione dei fotoni TeV finalmente rilevati da MAGIC? Antonio Stamerra, il Vice Portavoce della collaborazione MAGIC, sottolinea:"Queste energie sono molto più alte di quanto ci si possa aspettare dalla radiazione di sincrotrone, causato da elettroni ad alta energia che si muovono a spirale nei campi magnetici. Si ritiene che questo processo sia responsabile dell'emissione che era stata precedentemente osservata a energie più basse nei bagliori di GRB. Questi nuovi risultati, insieme ai dati MWL molto completi, fornire la prima prova inequivocabile per un ulteriore, processo di emissione distinta nell'afterglow." Lara Nava, scienziato associato alla collaborazione MAGIC, aggiunge:"Dal nostro studio, l'origine più probabile dell'emissione di TeV è il cosiddetto processo Compton inverso, dove una popolazione di fotoni viene significativamente aumentata di energia dalla collisione con elettroni ad alta energia."

"Dopo più di 50 anni dalla scoperta dei GRB, molti dei loro aspetti fondamentali restano ancora misteriosi, "dice Razmik Mirzoyan, il Portavoce della Collaborazione MAGIC. "La scoperta dell'emissione di raggi gamma da GRB 190114C nel nuovo, La finestra TeV dello spettro elettromagnetico mostra che le esplosioni GRB sono ancora più potenti di quanto si pensasse prima. La ricchezza di nuovi dati su GRB 190114C acquisiti da MAGIC e le ampie osservazioni di follow-up MWL offrono ora importanti indizi per svelare alcuni dei misteri riguardanti i processi fisici all'opera nei GRB".

Uno studio comparativo di tutti i precedenti follow-up GRB di MAGIC suggerisce che GRB 190114C non è stato un evento particolarmente unico tranne che per la sua relativa vicinanza (la luce ha impiegato 4,5 miliardi di anni per raggiungere la Terra), e che il buon esito della rilevazione è dovuto alle ottime prestazioni dello strumento. "MAGIC ha aperto una nuova finestra per studiare i GRB, "dice Susumu Inoue, il coordinatore del gruppo di lavoro MAGIC Transients maggiormente coinvolto nel progetto. "I nostri risultati indicano che potremmo essere in grado di rilevare molti più GRB a energie TeV. Questo aprirà la strada a una comprensione molto più profonda di queste affascinanti esplosioni cosmiche".

Lo studio è pubblicato su Natura .