Il 14 gennaio 2019, l'osservatorio Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) nelle Isole Canarie ha catturato la luce a più alta energia mai registrata da un lampo di raggi gamma. MAGIC ha iniziato ad osservare l'esplosione in dissolvenza appena 50 secondi dopo essere stata rilevata grazie alle posizioni fornite dalle navicelle spaziali Fermi e Swift della NASA (in alto a sinistra e a destra, rispettivamente, in questa illustrazione). I raggi gamma hanno accumulato energia fino a 10 volte maggiore di quanto visto in precedenza. Credito:NASA/Fermi e Aurore Simonnet, Sonoma State University
Un paio di esplosioni lontane scoperte dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA e dall'Osservatorio Swift di Neil Gehrels hanno prodotto la luce a più alta energia mai vista da questi eventi, chiamati lampi di raggi gamma (GRB). Le rilevazioni da record, realizzato da due diversi osservatori a terra, fornire nuove informazioni sui meccanismi che guidano i lampi di raggi gamma.
Gli astronomi hanno riconosciuto per la prima volta il fenomeno GRB 46 anni fa. Le esplosioni appaiono in punti casuali nel cielo circa una volta al giorno, in media.
Il tipo più comune di GRB si verifica quando una stella molto più massiccia del Sole esaurisce il carburante. Il suo nucleo crolla e forma un buco nero, che poi lancia getti di particelle verso l'esterno quasi alla velocità della luce. Questi getti perforano la stella e continuano nello spazio. Producono un impulso iniziale di raggi gamma, la forma di luce più energetica, che in genere dura circa un minuto.
Mentre i getti corrono verso l'esterno, interagiscono con il gas circostante ed emettono luce attraverso lo spettro, dalla radio ai raggi gamma. Questi cosiddetti bagliori possono essere rilevati fino a mesi e raramente, anche anni, dopo l'esplosione a lunghezze d'onda maggiori.
"Molto di ciò che abbiamo imparato sui GRB negli ultimi due decenni è venuto dall'osservazione dei loro bagliori a energie più basse, " ha detto Elizabeth Hays, lo scienziato del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Ora, grazie a questi nuovi rilevamenti a terra, stiamo vedendo i raggi gamma dai lampi di raggi gamma in un modo completamente nuovo".
Due articoli pubblicati sulla rivista Natura descrivere ciascuna delle scoperte. Un terzo articolo analizza uno dei lampi utilizzando un ricco set di dati multilunghezza d'onda provenienti da osservatori nello spazio ea terra. Una quarta carta, accettato da The Giornale Astrofisico , esplora i dati di Fermi e Swift in modo più dettagliato.
Il bagliore sbiadito di GRB 190114C e della sua galassia di origine è stato ripreso dal telescopio spaziale Hubble l'11 febbraio e il 12 marzo. 2019. La differenza tra queste immagini rivela un debole, bagliore di breve durata (centro del cerchio verde) situato a circa 800 anni luce dal nucleo della galassia. I colori blu oltre il nucleo segnalano la presenza di caldo, giovani stelle, indicando che questa è una galassia a spirale in qualche modo simile alla nostra. Si trova a circa 4,5 miliardi di anni luce di distanza nella costellazione della Fornace. Credito:NASA, ESA, e V.Acciari et al. 2019
Il 14 gennaio 2019, poco prima delle 16 EST, entrambi i satelliti Fermi e Swift hanno rilevato un picco di raggi gamma dalla costellazione della Fornace. Le missioni hanno allertato la comunità astronomica sulla posizione dell'esplosione, soprannominato GRB 190114C.
Una struttura che ha ricevuto gli avvisi era l'osservatorio Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC), situato a La Palma nelle Isole Canarie, Spagna. Entrambi i suoi telescopi da 17 metri si sono rivolti automaticamente al sito dell'esplosione in dissolvenza. Hanno iniziato a osservare il GRB appena 50 secondi dopo che è stato scoperto e hanno catturato i raggi gamma più energetici mai visti da questi eventi.
L'energia della luce visibile varia da circa 2 a 3 elettronvolt. Nel 2013, Il Large Area Telescope (LAT) di Fermi ha rilevato che la luce raggiunge un'energia di 95 miliardi di elettronvolt (GeV), poi il più alto visto da una raffica. Questo scende a poco meno di 100 GeV, la soglia per i cosiddetti raggi gamma ad altissima energia (VHE). Con GRB 190114C, MAGIC è diventata la prima struttura a segnalare in modo univoco l'emissione di VHE, con energie fino a un trilione di elettronvolt (1 TeV). È 10 volte il picco di energia che Fermi ha visto fino ad oggi.
"Venti anni fa, abbiamo progettato MAGIC appositamente per cercare l'emissione di VHE dai GRB, quindi questo è un enorme successo per il nostro team, " ha detto il co-autore Razmik Mirzoyan, scienziato del Max Planck Institute for Physics di Monaco e portavoce della collaborazione MAGIC. "La scoperta dei raggi gamma TeV da GRB 190114C mostra che queste esplosioni sono ancora più potenti di quanto si pensasse prima. Ancora più importante, la nostra individuazione ha facilitato un'ampia campagna di follow-up che ha coinvolto più di due dozzine di osservatori, offrendo importanti indizi sui processi fisici in atto nei GRB."
Questi includevano la missione NuSTAR della NASA, il satellite a raggi X XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea, il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, oltre a Fermi e Swift, insieme a molti osservatori terrestri. Le immagini di Hubble acquisite a febbraio e marzo hanno catturato il bagliore ottico dell'esplosione. Mostrano che l'esplosione ha avuto origine in una galassia a spirale distante circa 4,5 miliardi di anni luce. Ciò significa che la luce di questo GRB ha iniziato a viaggiare verso di noi quando l'universo aveva i due terzi della sua età attuale.
Il terzo articolo presenta osservazioni di un diverso burst, che Fermi e Swift scoprirono entrambi il 20 luglio, 2018. Dieci ore dopo i loro avvisi, il sistema stereoscopico ad alta energia (H.E.S.S.) ha indicato il suo grande, Telescopio a raggi gamma di 28 metri alla posizione del burst, chiamato GRB 180720B. Da un'attenta analisi svolta nelle settimane successive all'evento è emerso che H.E.S.S. raggi gamma VHE chiaramente rilevati con energie fino a 440 GeV. Ancora più notevole, il bagliore è continuato per due ore dopo l'inizio dell'osservazione. Catturare questa emissione così a lungo dopo il rilevamento del GRB è sia una sorpresa che una nuova importante scoperta.
Le strutture a terra hanno rilevato radiazioni fino a un trilione di volte l'energia della luce visibile da un'esplosione cosmica chiamata lampo di raggi gamma (GRB). Questa illustrazione mostra la configurazione per il tipo più comune. Il nucleo di una stella massiccia (a sinistra) è collassato e ha formato un buco nero. Questo "motore" guida un getto di particelle che si muove attraverso la stella in collasso e fuori nello spazio quasi alla velocità della luce. La pronta emissione, che in genere dura un minuto o meno, può derivare dall'interazione del getto con il gas vicino al buco nero appena nato e da collisioni tra gusci di gas in rapido movimento all'interno del getto (onde d'urto interne). L'emissione di bagliore si verifica quando il bordo anteriore del getto spazza l'ambiente circostante (creando un'onda d'urto esterna) ed emette radiazioni attraverso lo spettro per un po' di tempo - mesi o anni, nel caso di radio e luce visibile, e molte ore alle più alte energie di raggi gamma mai osservate. Questi superano di gran lunga i 100 miliardi di elettronvolt (GeV) per due recenti GRB. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA
Gli scienziati sospettano che la maggior parte dei raggi gamma dei bagliori residui dei GRB provengano da campi magnetici sul bordo anteriore del getto. Gli elettroni ad alta energia che si muovono a spirale nei campi emettono direttamente raggi gamma attraverso un meccanismo chiamato emissione di sincrotrone.
Ma sia l'H.E.S.S. e i team MAGIC interpretano l'emissione VHE come una distinta componente di bagliore residuo, il che significa che deve essere attivo un processo aggiuntivo. Il miglior candidato, dicono, è lo scattering Compton inverso. Gli elettroni ad alta energia nel jet si schiantano contro i raggi gamma a energia inferiore e li spingono a energie molto più elevate.
Nel documento che dettaglia le osservazioni di Fermi e Swift, i ricercatori concludono che potrebbe effettivamente essere necessario un meccanismo fisico aggiuntivo per produrre l'emissione di VHE. All'interno delle energie inferiori osservate da queste missioni, però, l'inondazione di raggi gamma di sincrotrone rende molto più difficile scoprire un secondo processo.
"Con Fermi e Swift, non vediamo prove dirette di una seconda componente di emissione, " ha detto S. Bradley Cenko di Goddard, il ricercatore principale per Swift e coautore degli articoli Fermi-Swift e multiwavelength. "Però, se l'emissione di VHE deriva dal solo processo di sincrotrone, quindi le ipotesi fondamentali utilizzate nella stima dell'energia di picco prodotta da questo meccanismo dovranno essere riviste".
Saranno necessarie future osservazioni di burst per chiarire il quadro fisico. I nuovi dati VHE aprono un nuovo percorso per la comprensione dei GRB, uno che sarà ulteriormente ampliato da MAGIC, H.E.S.S. e una nuova generazione di telescopi per raggi gamma terrestri ora in fase di progettazione.
