I lampi di raggi gamma (GRB) sono i fenomeni transitori più luminosi ed esplosivi nell'universo dopo il Big Bang. Un potente strumento per caratterizzare e classificare i GRB per consentire loro di essere utilizzati come traccianti della storia di espansione dell'universo e per comprenderne i misteriosi e dibattuti meccanismi fisici è stato recentemente presentato da un team internazionale di ricercatori guidati dalla dott.ssa Maria Dainotti, professore assistente presso l'Università Jagellonica, Polonia. Il nuovo articolo, che è stato accettato dal Giornale Astrofisico , è un'analisi statistica delle proprietà dei misteriosi GRB, finalizzato alla determinazione delle proprietà osservative delle sottoclassi di GRB. L'articolo presta particolare attenzione ai GRB associati alle kilonovae.

Gli astronomi possono solo misurare direttamente le distanze di oggetti vicini alla Terra e devono estrapolare le distanze di oggetti più lontani. Tutti gli oggetti che fungono da pioli sulla scala delle distanze cosmologiche hanno luminosità note e sono indicati come "candele standard". Una volta nota la luminosità assoluta della candela standard, la distanza da quell'oggetto può essere calcolata in base alla sua luminosità misurata. Per esempio, la luce della stessa candela standard apparirà più fioca quando è più lontana. I GRB sono così potenti che in pochi secondi, emettono l'equivalente dell'energia emessa dal sole durante tutta la sua vita. Così, è possibile osservare i GRB a distanze incredibilmente grandi (a.k.a., redshift elevato), molto più lontano delle candele standard come le supernove di tipo Ia (SNe Ia) osservate fino a 11 miliardi di anni luce. L'uso dei GRB come un nuovo tipo di candela standard consentirà agli astronomi di studiare e comprendere questioni cosmologiche che potrebbero cambiare i modelli attuali riguardanti la storia dell'universo e la sua evoluzione.

Nonostante decenni di osservazioni, non è stato ancora raggiunto un modello completo in grado di spiegare i meccanismi fisici e le proprietà sottostanti di questi oggetti. Sono state proposte molte possibili origini fisiche per i GRB, come l'esplosione di una stella estremamente massiccia (i GRB di lunga durata) o la fusione di due oggetti compatti (i GRB di breve durata).

Le Kilonovae (KNe) sono oggetti astrofisici legati ai GRB che durano meno di due secondi. Questi GRB corti provengono da esplosioni dopo la fusione di due oggetti compatti come le stelle di neutroni (NS). Il rilevamento dell'emissione di raggi X in una posizione coincidente con il transitorio KN può fornire il collegamento osservativo mancante tra i GRB corti e le onde gravitazionali (GW) prodotte dalle fusioni di NS. Il primo rilevamento del KN associato a GW e il breve GRB 170817 ha aperto una nuova era di osservazioni e indagini teoriche. Il pezzo mancante di questa storia di lunga data è la connessione tra KNe e le correlazioni osservative GRB che Dainotti et al. ora fornire.

Anche quando tutti i GRB sono osservati con lo stesso satellite, in questo caso, Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA, si osserva che le caratteristiche dei GRB variano ampiamente su diversi ordini di grandezza. Questo vale non solo per l'emissione tempestiva (l'evento principale nei raggi gamma), ma anche alla fase di postluminescenza estesa (che segue la pronta emissione ed è visibile su un'ampia gamma di lunghezze d'onda). Così, il punto chiave dell'articolo di Dainotti et al., è la caccia a caratteristiche che rimangono invarianti secondo classi peculiari di GRB.

Il team ha trovato una correlazione 3-D, cioè., un legame tra le seguenti tre variabili che identifica un piano:durata della fase di plateau radiografico, la sua luminosità, e la luminosità della caratteristica dei raggi gamma al picco. Le distanze dei GRB dal piano di una data classe hanno permesso agli autori di determinare se i GRB appartengono a quella particolare classe mostrando diverse caratteristiche relative a questa correlazione 3-D. Dainotti et al. mostrano anche che sebbene gli eventi GRBs-KNe siano un sottocampione della classe più ampia di GRB di breve durata (cuboidi rossi), mostrano alcune peculiarità osservative:infatti, giacciono tutti al di sotto del piano fondamentale corto come mostrato nella Figura 1 (icosaedri troncati gialli).

In questa analisi, pregiudizi di selezione ed effetti evolutivi (vale a dire, come le variabili cambiano con la distanza o il redshift) sono stati considerati e hanno mostrato che il piano fondamentale individuato dalle kilonovae è affidabile ed è indipendente dagli effetti di selezione; così, è possibile un'applicazione futura di questo piano come strumento cosmologico. Infatti, il piano GRBs-KNe ha la distanza minima osservata dal suo piano, chiamato dispersione intrinseca. Qui questa dispersione è inferiore del 29% rispetto a un'analisi precedente, vedi Fig. 1, che proveniva da un comunicato stampa della NASA nel 2016. Notiamo che questo risultato è stato raggiunto in modo naturale senza assumere alcun criterio osservativo come era stato fatto in precedenti studi eseguiti da alcuni degli autori in questa ricerca. Questo nuovo risultato è quindi un passo molto più avanti rispetto alle analisi precedenti.

Notiamo qui che tutti i KN-SGRB (contrassegnati in giallo) cadono al di sotto del piano migliore. Inoltre, i GRB associati al piano KNe hanno ancora una distanza molto piccola dal rispettivo piano delle chilonovae quando si tiene conto dell'evoluzione, vedi Fig. 2. Minore è la distanza dal piano, più l'aereo è utile come strumento cosmologico. Un grande vantaggio dell'utilizzo dei GRB associati alle kilonovae è che gli eventi GRBKNe hanno un processo di emissione fisica più chiaro rispetto ad altre classi di GRB osservative.

Così, il balzo in avanti in questo studio è che questo campione ha una messa a terra fisica correlata alla relazione del piano fondamentale indipendentemente dalle caratteristiche della fase di plateau che possono variare ampiamente da un GRB all'altro.