Le esplosioni più forti nell'universo producono radiazioni ancora più energetiche di quanto precedentemente noto:utilizzando telescopi specializzati, due team internazionali hanno registrato i raggi gamma a più alta energia mai misurati dai cosiddetti lampi di raggi gamma, raggiungendo circa 100 miliardi di volte più energia della luce visibile. Gli scienziati dell'H.E.S.S. e i telescopi MAGIC presentano le loro osservazioni in pubblicazioni indipendenti sulla rivista Natura . Questi sono i primi rilevamenti di lampi di raggi gamma con telescopi a raggi gamma a terra. DESY svolge un ruolo importante in entrambi gli osservatori, che sono gestiti sotto la guida della Max Planck Society.

I lampi di raggi gamma (GRB) sono improvvisi, brevi esplosioni di radiazioni gamma che si verificano circa una volta al giorno da qualche parte nell'universo visibile. Secondo le attuali conoscenze, provengono dalla collisione di stelle di neutroni o da esplosioni di supernova di soli giganti che collassano in un buco nero. "I lampi di raggi gamma sono le esplosioni più potenti conosciute nell'universo e in genere rilasciano più energia in pochi secondi rispetto al nostro Sole durante tutta la sua vita:possono brillare attraverso quasi l'intero universo visibile, " spiega David Berge, capo dell'astronomia gamma al DESY. Il fenomeno cosmico è stato scoperto per caso alla fine degli anni '60 dai satelliti utilizzati per monitorare il rispetto del divieto di test nucleari sulla Terra.

Da allora, gli astronomi hanno studiato lampi di raggi gamma con i satelliti, poiché l'atmosfera terrestre assorbe molto efficacemente i raggi gamma. Gli astronomi hanno sviluppato telescopi specializzati in grado di osservare un debole bagliore blu chiamato luce Cherenkov che i raggi gamma cosmici inducono nell'atmosfera, ma questi strumenti sono sensibili solo ai raggi gamma con energie molto elevate. Sfortunatamente, la luminosità dei lampi di raggi gamma diminuisce vertiginosamente con l'aumentare dell'energia. I telescopi Cherenkov hanno identificato molte sorgenti di raggi gamma cosmici ad energie molto elevate, ma nessun lampo di raggi gamma. Satelliti, d'altra parte, hanno rivelatori troppo piccoli per essere sensibili alla bassa luminosità dei lampi di raggi gamma ad energie molto elevate. Così, era effettivamente sconosciuto, se le esplosioni dei mostri emettono raggi gamma anche in regime di altissima energia.

Gli scienziati hanno provato per molti anni, per catturare un lampo di raggi gamma con i telescopi Cherenkov. Poi improvvisamente, tra l'estate 2018 e gennaio 2019, due squadre internazionali di astronomi, entrambi coinvolgendo scienziati DESY, rilevato raggi gamma da due eventi GRB per la prima volta da terra. Il 20 luglio 2018, debole emissione di bagliore di GRB 180720B nel regime di raggi gamma è stata osservata con il telescopio da 28 metri del sistema stereoscopico ad alta energia H.E.S.S. in Namibia. Il 14 gennaio 2019, emissione precoce brillante da GRB 190114C è stata rilevata dai telescopi Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) a La Palma, e immediatamente annunciato alla comunità astronomica.

Entrambe le osservazioni sono state attivate dai satelliti a raggi gamma dell'agenzia spaziale statunitense NASA che monitorano il cielo per i lampi di raggi gamma e inviano avvisi automatici ad altri osservatori di raggi gamma dopo il rilevamento. "Siamo stati in grado di indicare la regione di origine così rapidamente che abbiamo potuto iniziare a osservare solo 57 secondi dopo il rilevamento iniziale dell'esplosione, " racconta Cosimo Nigro del gruppo MAGIC al DESY, che in quel momento era responsabile del turno di osservazione. "Nei primi 20 minuti di osservazione, abbiamo rilevato migliaia di fotoni da GRB 190114C."

MAGIC ha registrato raggi gamma con energie comprese tra 200 e 1000 miliardi di elettronvolt (da 0,2 a 1 teraelettronvolt). "Questi sono di gran lunga i fotoni a più alta energia mai scoperti da un lampo di raggi gamma, "dice Elisa Bernardini, leader del gruppo MAGIC al DESY. Per confronto:la luce visibile è nell'intervallo da circa 1 a 3 elettronvolt.

La rapida scoperta ha permesso di allertare rapidamente l'intera comunità osservativa. Di conseguenza, più di venti diversi telescopi hanno dato uno sguardo più approfondito al bersaglio. Ciò ha permesso di individuare i dettagli del meccanismo fisico responsabile della massima emissione di energia, come descritto nel secondo articolo condotto dalla collaborazione MAGIC. Osservazioni successive hanno posizionato GRB 190114C a una distanza di oltre quattro miliardi di anni luce. Questo significa, la sua luce ha viaggiato per più di quattro miliardi di anni fino a noi, o circa un terzo dell'età attuale dell'universo.

GRB 180720B, a una distanza di sei miliardi di anni luce ancora più lontano, potrebbe ancora essere rilevato nei raggi gamma a energie comprese tra 100 e 440 miliardi di elettronvolt molto tempo dopo l'esplosione iniziale. "Sorprendentemente, l'H.E.S.S. il telescopio ha osservato un surplus di 119 quanti gamma dalla direzione del burst più di dieci ore dopo che l'evento dell'esplosione è stato visto per la prima volta dai satelliti, " dice Stefan Ohm, capo dell'H.E.S.S. gruppo al DESY.

"Il rilevamento è arrivato abbastanza inaspettato, mentre i lampi di raggi gamma stanno svanendo velocemente, lasciando dietro di sé un bagliore che può essere visto per ore o giorni su molte lunghezze d'onda dalla radio ai raggi X, ma non era mai stato rilevato in raggi gamma ad altissima energia prima, " aggiunge il teorico di DESY Andrew Taylor, che ha contribuito alla H.E.S.S. analisi. "Questo successo è dovuto anche a una migliore strategia di follow-up in cui ci concentriamo anche sulle osservazioni in momenti successivi dopo l'effettivo collasso della stella".

Il rilevamento di lampi di raggi gamma a energie molto elevate fornisce nuove importanti informazioni sulle gigantesche esplosioni. "Avendo stabilito che i GRB producono fotoni di energie centinaia di miliardi di volte superiori alla luce visibile, ora sappiamo che i GRB sono in grado di accelerare in modo efficiente le particelle all'interno dell'espulsione dell'esplosione, " dice il ricercatore DESY Konstancja Satalecka, uno degli scienziati che coordinano le ricerche GRB nella collaborazione MAGIC. "Cosa c'è di più, si scopre che fino ad ora ci mancava circa la metà del loro budget energetico. Le nostre misurazioni mostrano che l'energia rilasciata nei raggi gamma ad altissima energia è paragonabile alla quantità irradiata a tutte le energie più basse prese insieme. È notevole!"

Spiegare come vengono generati i raggi gamma ad altissima energia osservati è impegnativo. Entrambi i gruppi presuppongono un processo in due fasi:primo, le particelle caricate elettricamente veloci dalla nuvola di esplosione vengono deviate nei forti campi magnetici ed emettono la cosiddetta radiazione di sincrotrone, che è della stessa natura della radiazione che può essere prodotta nei sincrotroni o in altri acceleratori di particelle sulla Terra, per esempio a DESY. Però, solo in condizioni abbastanza estreme i fotoni di sincrotrone dell'esplosione sarebbero in grado di raggiungere le altissime energie osservate. Anziché, gli scienziati considerano un secondo passo, dove i fotoni di sincrotrone si scontrano con le particelle veloci che li hanno generati, che li porta alle energie dei raggi gamma molto elevate registrate. Gli scienziati chiamano quest'ultimo passaggio scattering Compton inverso.

"Per la prima volta, i due strumenti hanno misurato la radiazione gamma da lampi di raggi gamma da terra, " conclude Berge. "Queste due osservazioni rivoluzionarie hanno stabilito che i lampi di raggi gamma siano sorgenti per i telescopi di raggi gamma terrestri. Questo ha il potenziale per far avanzare significativamente la nostra comprensione di questi fenomeni violenti." Gli scienziati stimano che fino a dieci di questi eventi all'anno possono essere osservati con il pianificato Cherenkov Telescope Array (CTA), l'osservatorio di raggi gamma di nuova generazione. Il CTA consisterà in più di 100 singoli telescopi di tre tipi che saranno costruiti in due località negli emisferi nord e sud. DESY è responsabile della costruzione dei telescopi di medie dimensioni e ospiterà il Science Data Management Center di CTA nel suo campus a Zeuthen. Le osservazioni CTA dovrebbero iniziare al più presto nel 2023.