Oltre ai buchi neri, le magnetar potrebbero essere le stelle più estreme dell'universo. Con un diametro inferiore alla lunghezza di Manhattan, impacchettano più massa di quella del nostro sole, esercitano il più grande campo magnetico di qualsiasi oggetto conosciuto, più di 10 trilioni di volte più forte di un magnete da frigorifero, e ruotano sui loro assi ogni pochi secondi.

Un tipo di stella di neutroni, il residuo di un'esplosione di supernova, i magnetar sono così altamente magnetizzati che anche modesti disturbi nel campo magnetico possono causare esplosioni di raggi X che durano sporadicamente per settimane o mesi.

Questi esotici, si pensa anche che le stelle compatte siano la fonte di alcuni tipi di brevi lampi di raggi gamma (GRB):lampi luminosi di radiazioni altamente energetiche che hanno lasciato perplessi gli astronomi da quando sono stati rilevati per la prima volta negli anni '70. Molti di questi giganteschi bagliori magnetar sono stati rilevati all'interno della Via Lattea. Ma poiché sono così intensi da saturare i rilevatori, e le osservazioni all'interno della galassia sono oscurate dalla polvere, scienziato spaziale Kevin Hurley presso l'Università della California, Berkeley, e un team internazionale di astronomi ha cercato questi stessi brillamenti in galassie al di fuori della nostra per una visione più chiara.

Questo sforzo di 45 anni sta dando i suoi frutti. Un breve lampo di raggi gamma rilevato lo scorso 15 aprile da una galassia distante 11,4 milioni di anni luce mostra una chiara firma che secondo Hurley potrebbe aiutare gli astronomi a trovare più facilmente i lampi di magnetar e infine a raccogliere i dati necessari per verificare le numerose teorie che spiegano le magnetar e i loro raggi gamma razzi.

"Abbiamo quello che crediamo siano quattro rilevamenti solidi dal 1979 di razzi magnetar giganti extragalattici, due di loro esplosioni quasi identiche da diverse galassie, " disse Hurley, un borsista spaziale senior con il Laboratorio di Scienze Spaziali dell'UC Berkeley. "Ci porta a credere che potrebbe esserci una sorta di modello emergente che ci aiuterà a identificarli più rapidamente in futuro. La mia speranza è che il ritmo ora acceleri perché sappiamo molto meglio cosa stiamo cercando. "

Hurley e tre colleghi riferiranno della scoperta del GRB da parte di vari satelliti statunitensi ed europei e delle sue implicazioni durante un briefing con i media mercoledì, 13 gennaio alla riunione annuale dell'American Astronomical Society e in tre articoli apparsi contemporaneamente sulle riviste Natura e Astronomia della natura .

Scoppi di magnetar giganti

GRB, le esplosioni più potenti del cosmo, può essere rilevato attraverso miliardi di anni luce. La maggior parte di quelli che durano meno di circa due secondi, chiamati GRB corti, si verificano quando una coppia di stelle di neutroni orbitanti si avvolge a spirale l'una nell'altra e si fonde. Gli astronomi hanno confermato questo scenario per almeno alcuni GRB brevi nel 2017, quando un'esplosione ha seguito l'arrivo di onde gravitazionali - increspature nello spazio-tempo - prodotte quando le stelle di neutroni si sono fuse a 130 milioni di anni luce di distanza.

Ma non tutti i GRB corti si adattano al profilo di fusione delle stelle di neutroni, disse Hurley. Nello specifico, dei 29 magnetar all'interno della nostra Via Lattea noti per esibire occasionali attività a raggi X, due hanno prodotto bagliori giganti che sono diversi dagli scoppi di queste fusioni.

Il più recente di questi rilevamenti è stato il 27 dicembre, 2004, un evento che ha prodotto cambiamenti misurabili nell'atmosfera superiore della Terra, nonostante eruttasse da una magnetar situata a circa 28, 000 anni luce di distanza.

Dalla fine degli anni '70, Hurley ha gestito l'InterPlanetary Network (IPN), uno sforzo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per analizzare i dati di molti veicoli spaziali, attualmente cinque, catturando circa 325 lampi gamma all'anno, nella speranza di trovare altri bagliori magnetar giganti. Quella rete è stata la chiave per catturare il 15 aprile 2020, bagliore.

Poco prima delle 4:42 EDT di quel mercoledì, un breve, potente scoppio di raggi X e raggi gamma spazzato oltre Marte, innescando il rivelatore russo di neutroni ad alta energia a bordo della navicella spaziale Mars Odyssey della NASA, che è in orbita attorno al pianeta dal 2001. Circa 6,6 minuti dopo, l'esplosione ha innescato lo strumento russo Konus a bordo del satellite Wind della NASA, che orbita intorno a un punto tra la Terra e il sole situato a circa 930, 000 miglia (1,5 milioni di chilometri) di distanza. Dopo altri 4,5 secondi, la radiazione ha passato la Terra, strumenti di attivazione sul telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA e sul satellite INTEGRAL dell'Agenzia spaziale europea.

L'analisi dei dati del Burst Alert Telescope (BAT) sull'Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA ha fornito ulteriori informazioni sull'evento.

Questi dati hanno mostrato che l'impulso di radiazione è durato solo 140 millisecondi, un battito di ciglia.

Hurley e Dmitry Svinkin dell'Istituto russo Ioffe, un membro del team IPN, utilizzato i tempi di arrivo misurati dal Fermi, veloce, Vento, Missioni Mars Odyssey e INTEGRAL per individuare la posizione dell'esplosione del 15 aprile, denominato GRB 200415A, esattamente nella regione centrale di NGC 253, una brillante galassia a spirale situata a circa 11,4 milioni di anni luce di distanza nella costellazione dello Scultore. Questa è la posizione del cielo più precisa mai determinata per una magnetar situata oltre la Grande Nube di Magellano, un satellite della nostra galassia e ospite nel 1979 del primo brillamento gigante mai rilevato.

"Questa è stata finora la magnetar più accuratamente localizzata al di fuori della nostra galassia, e l'abbiamo davvero bloccato ora, non solo in una galassia, ma una parte di una galassia in cui ci aspettiamo che la formazione stellare sia in corso, e le stelle stanno esplodendo. È lì che dovrebbero essere le supernove e le magnetar, pure, " ha detto Hurley. "L'evento del 15 aprile è un punto di svolta".

Lampi da un faro

I bagliori giganti visti all'interno della Via Lattea sembrano un po' diversi da quelli delle galassie vicine a causa della distanza. Gli astronomi hanno documentato che i bagliori giganti delle magnetar nella Via Lattea e i suoi satelliti si evolvono in modo distinto, con un rapido aumento fino al picco di luminosità seguito da una coda più graduale di emissione fluttuante. Queste variazioni derivano dalla rotazione del magnetar, che porta ripetutamente la posizione del bagliore dentro e fuori dalla vista della Terra, molto simile a un faro.

L'osservazione di questa coda fluttuante è la prova conclusiva di un gigantesco bagliore:una pistola fumante, disse Hurley. Perché magnetar brilla a milioni di anni luce di distanza, però, questa emissione è troppo debole per essere rilevata con gli strumenti odierni. Per questa ragione, razzi giganti nel nostro quartiere galattico possono essere confusi con GRB di tipo fusione più distanti e potenti.

Le nuove osservazioni rivelano impulsi multipli, con il primo che appare in soli 77 microsecondi, circa 13 volte la velocità del flash di una fotocamera e quasi 100 volte più veloce dell'aumento dei GRB più veloci prodotti dalle fusioni.

"La combinazione del tempo di salita e del tempo di decadimento, pensiamo, potrebbe mostrarci un modello, perché l'abbiamo già visto, l'abbiamo visto nel 2005, con un altro evento, quasi la copia carbone. E anche lo spettro energetico dei due era simile, "Ha detto Hurley.

Il Gamma-ray Burst Monitor di Fermi ha anche rilevato rapide variazioni di energia nel corso del brillamento che non erano mai state osservate prima.

"I bagliori giganti all'interno della nostra galassia sono così brillanti da sopraffare i nostri strumenti, lasciandoli aggrappati ai loro segreti, " ha detto Oliver Roberts, uno scienziato associato presso l'Istituto di scienza e tecnologia dell'Università di ricerca spaziale a Huntsville, Alabama, che ha condotto lo studio dei dati di Fermi. "Per la prima volta, GRB 200415A e razzi distanti come questo consentono ai nostri strumenti di catturare ogni caratteristica ed esplorare queste potenti eruzioni a una profondità senza precedenti".

Starquakes e riconnessione del campo magnetico

I razzi giganti sono poco conosciuti, ma gli astronomi pensano che derivino da un improvviso riarrangiamento del campo magnetico della magnetar. Una possibilità è che il campo in alto sopra la superficie possa diventare troppo contorto, rilasciando improvvisamente energia mentre si stabilizza in una configurazione più stabile. Un guasto meccanico della crosta della magnetar, uno starquake, può innescare l'improvvisa riconfigurazione.

"L'idea è che tu abbia questo campo magnetico super forte che esce dalla stella, ma ancorato alla crosta, e il campo magnetico può torcersi, esercitando una pressione sulla crosta. La crosta ha un limite elastico, e dopo aver superato quel limite elastico, si rompe. Quindi, quella crepa manda onde nel campo magnetico, e quelle onde sconvolgono il campo, e puoi ottenere riconnessione e rilascio di energia e raggi gamma, "Ha detto Hurley.

Roberts e i suoi colleghi affermano che i dati mostrano alcune prove di vibrazioni sismiche durante l'eruzione. I ricercatori affermano che questa emissione è nata da una nuvola di elettroni e positroni espulsi che si muovono a circa il 99% della velocità della luce. La breve durata dell'emissione e la sua mutevole luminosità ed energia riflettono la rotazione della magnetar, salendo e scendendo come i fari di un'auto che gira. Roberts lo descrive all'inizio come un blob opaco—lo immagina come un siluro fotonico del franchise di "Star Trek"—che si espande e si diffonde mentre viaggia.

Il siluro è anche una delle più grandi sorprese dell'evento. I raggi X a più alta energia registrati dal Gamma-Burst Monitor hanno raggiunto i 3 milioni di elettronvolt (MeV), o circa 1 milione di volte l'energia della luce blu. Lo strumento principale del satellite, il Large Area Telescope (LAT), rilevato anche tre raggi gamma con energie di 480 MeV, 1,3 miliardi di elettronvolt (GeV) e 1,7 GeV:la luce a più alta energia mai rilevata da un gigantesco bagliore magnetar. La cosa sorprendente è che tutti questi raggi gamma sono apparsi molto tempo dopo che il bagliore era diminuito in altri strumenti.

Nicola Omodei, un ricercatore senior presso la Stanford University, ha portato il team LAT a indagare su questi raggi gamma, che è arrivato tra 19 secondi e 4,7 minuti dopo l'evento principale. Gli scienziati hanno concluso che questo segnale molto probabilmente proveniva anche dal bagliore magnetar.

Una magnetar produce un flusso costante di particelle in rapido movimento. Mentre queste particelle si muovono nello spazio, si tuffano, gas interstellare lento e deviato. Il gas si accumula, si riscalda e si comprime, e forma un tipo di onda d'urto chiamata shock d'arco, come le increspature davanti a una barca in movimento.

Nel modello proposto dal team LAT, l'impulso iniziale di raggi gamma del brillamento viaggia verso l'esterno alla velocità della luce, seguito dalla nuvola di materia espulsa, che si sta muovendo quasi altrettanto velocemente. Dopo diversi giorni, entrambi raggiungono lo shock di prua. I raggi gamma passano attraverso. Secondi dopo, la nuvola di particelle, ora espansa in un vasto, guscio sottile:si scontra con il gas accumulato nell'ammortizzatore di prua. Questa interazione crea onde d'urto che accelerano le particelle, producendo i raggi gamma a più alta energia dopo il burst principale.

Il flare del 15 aprile dimostra che gli eventi del 2020 e del 2004 costituiscono la propria classe di GRB, disse Hurley.

"Una piccola percentuale di GRB corti potrebbe davvero essere razzi giganti di magnetar, "ha detto Eric Burns, un assistente professore di fisica e astronomia alla Louisiana State University di Baton Rouge che ha condotto uno studio che ha identificato ulteriori sospetti magnetar extragalattici. "Infatti, potrebbero essere le più comuni esplosioni ad alta energia che abbiamo rilevato così lontano dalla nostra galassia, circa cinque volte più frequenti delle supernove".

Mentre le esplosioni vicino alla galassia M81 nel 2005 e alla galassia di Andromeda (M31) nel 2007 erano già state suggerite come razzi giganti, la sua squadra ha identificato un bagliore appena riportato in M83, visti anche nel 2007. A questi si aggiungono i bagliori giganti del 1979 e quelli osservati nella nostra Via Lattea nel 1998 e nel 2004.

"È un piccolo campione, ma ora abbiamo un'idea migliore delle loro vere energie, e fino a che punto possiamo rilevarli, "disse Burns, il cui studio apparirà entro la fine dell'anno in Le Lettere del Giornale Astrofisico .