Gli eventi più potenti nell’universo conosciuto – i lampi di raggi gamma (GRB) – sono esplosioni di breve durata della luce a più alta energia. Possono eruttare con un quintilione (un 10 seguito da 18 zeri) di volte la luminosità del nostro sole. Ora pensati per annunciare la nascita di nuovi buchi neri, furono scoperti per caso.
Il retroscena ci porta al 1963, quando l’aeronautica americana lanciò i satelliti Vela per rilevare i raggi gamma provenienti dai test sulle armi nucleari vietati. Gli Stati Uniti avevano appena firmato un trattato con il Regno Unito e l'Unione Sovietica per vietare i test nell'atmosfera terrestre, e i satelliti Vela garantirono il rispetto di tutte le parti. Invece, i satelliti si sono imbattuti in 16 eventi di raggi gamma.
Nel 1973, gli scienziati poterono escludere che sia la Terra che il sole fossero le fonti di queste brillanti eruzioni. Fu allora che gli astronomi del Los Alamos National Laboratory pubblicarono il primo articolo in cui annunciavano che queste esplosioni hanno origine oltre il nostro sistema solare.
Gli scienziati del Goddard Space Flight Center della NASA hanno rapidamente confermato i risultati attraverso un rilevatore di raggi X sul satellite IMP 6. Ci vorrebbero altri due decenni e i contributi del BeppoSax dell’Agenzia Spaziale Italiana e dell’Osservatorio Compton Gamma-Ray della NASA per dimostrare che queste esplosioni si verificano ben oltre la nostra galassia, la Via Lattea, sono distribuite uniformemente nel cielo e sono straordinariamente potenti. Il GRB più vicino mai registrato si è verificato a più di 100 milioni di anni luce di distanza.
Sebbene scoperti per caso, i GRB si sono rivelati preziosi per i ricercatori di oggi. Questi lampi di luce sono ricchi di informazioni su fenomeni come la fine della vita di stelle molto massicce o la formazione di buchi neri in galassie distanti.
Tuttavia, ci sono ancora molte gemme scientifiche da scoprire. Nel 2017, i GRB sono stati collegati per la prima volta alle onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo, guidandoci verso una migliore comprensione del funzionamento di questi eventi.
Gli astronomi separano i GRB in due classi principali:eventi brevi (dove il lampo iniziale di raggi gamma dura meno di due secondi) ed eventi lunghi (che durano due secondi o più).
Le esplosioni più brevi producono anche meno raggi gamma in generale, il che porta i ricercatori a ipotizzare che le due classi provenissero da diversi sistemi progenitori.
Gli astronomi ora associano le brevi esplosioni alla collisione di due stelle di neutroni o di una stella di neutroni e un buco nero, provocando un buco nero e un'esplosione di breve durata. I GRB brevi sono talvolta seguiti da kilonovae, luce prodotta dal decadimento radioattivo di elementi chimici. Questo decadimento genera elementi ancora più pesanti, come oro, argento e platino.
Le lunghe esplosioni sono legate alla morte esplosiva di stelle massicce. Quando una stella di massa elevata esaurisce il combustibile nucleare, il suo nucleo collassa e poi rimbalza, provocando un'onda d'urto attraverso la stella. Gli astronomi vedono questa esplosione come una supernova. Il nucleo può formare una stella di neutroni o un buco nero.
In entrambe le classi, il buco nero appena nato emette getti in direzioni opposte. I getti, costituiti da particelle accelerate quasi alla velocità della luce, penetrano e alla fine interagiscono con il materiale circostante, emettendo raggi gamma quando lo fanno.
Questo schema generale non è l'ultima parola, però. Più gli astronomi studiano i GRB, più è probabile che incontrino eventi che mettono in discussione le classificazioni attuali.
Nell'agosto 2020, il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha rintracciato un secondo lampo denominato GRB 200826A, a oltre 6 miliardi di anni luce di distanza. Avrebbe dovuto rientrare nella classe short-burst, innescata da fusioni di oggetti compatti.
Tuttavia, altre caratteristiche di questo evento, come la supernova che ha creato, suggeriscono che abbia avuto origine dal collasso di una stella massiccia. Gli astronomi pensano che questa esplosione potrebbe essersi esaurita prima di poter raggiungere la durata tipica delle esplosioni lunghe.
Fermi e l'Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA hanno catturato il suo numero opposto, GRB 211211A nel dicembre 2021. Situata a un miliardo di anni luce di distanza, l'esplosione è durata circa un minuto. Anche se questo lo rende un GRB lungo, è stato seguito da una kilonova, il che suggerisce che sia stato innescato da una fusione. Alcuni ricercatori attribuiscono le stranezze di questo scoppio alla fusione di una stella di neutroni con un buco nero partner.
Man mano che gli astronomi scoprono ulteriori lampi della durata di diverse ore, potrebbe esserci ancora una nuova classe in fase di realizzazione:i GRB ultra-lunghi. L'energia creata dalla morte di una stella di massa elevata probabilmente non può sostenere un'esplosione per così tanto tempo, quindi gli scienziati devono cercare origini diverse.
Alcuni pensano che esplosioni ultra-lunghe avvengano da magnetar neonate:stelle di neutroni con velocità di rotazione rapide e campi magnetici mille volte più forti della media. Altri sostengono che questa nuova classe richieda il potere dei più grandi residenti stellari dell’universo, le supergiganti blu. I ricercatori continuano a esplorare i GRB ultralunghi.
Sebbene i raggi gamma siano la forma di luce più energetica, non sono certamente i più facili da individuare. I nostri occhi vedono solo una banda stretta dello spettro elettromagnetico. Lo studio di qualsiasi luce al di fuori di tale intervallo, come i raggi gamma, dipende strettamente dagli strumenti sviluppati dai nostri scienziati e ingegneri. Questa necessità di tecnologia, insieme alla natura già fugace dei GRB, ha reso le esplosioni più difficili da studiare nei primi anni.
I bagliori residui dei GRB si verificano quando il materiale nei getti interagisce con il gas circostante.
Gli afterglow emettono luce radio, infrarossa, ottica, UV, X e gamma, che fornisce più dati sull'esplosione originale. Inoltre, i bagliori residui persistono per ore o giorni (o addirittura anni) in più rispetto alla loro esplosione iniziale, creando maggiori opportunità di scoperta.
Lo studio dei bagliori è diventato fondamentale per dedurre le forze trainanti dietro le diverse esplosioni. In periodi prolungati, quando il bagliore residuo si affievolisce, gli scienziati alla fine vedono la sorgente illuminarsi nuovamente quando la supernova sottostante diventa rilevabile.
Sebbene la luce sia il viaggiatore più veloce dell'universo, non può raggiungerci istantaneamente. Nel momento in cui rileviamo un'esplosione, potrebbero essere trascorsi milioni o miliardi di anni, il che ci permetterebbe di sondare parte dell'universo primordiale attraverso bagliori lontani.
Nonostante l’ampia ricerca condotta finora, la nostra comprensione dei GRB è lungi dall’essere completa. Ogni nuova scoperta aggiunge nuove sfaccettature ai modelli dei lampi di raggi gamma elaborati dagli scienziati.
Fermi e Swift hanno scoperto uno di questi eventi rivoluzionari nel 2022 con GRB 221009A, un’esplosione così luminosa da accecare temporaneamente la maggior parte degli strumenti a raggi gamma spaziali. Si prevede che un GRB di questa portata si verifichi una volta ogni 10.000 anni, rendendolo probabilmente l’evento di massima luminosità testimoniato dalla civiltà umana. Di conseguenza gli astronomi l'hanno soprannominata la più brillante di tutti i tempi, o la BARCA.
Si tratta di una delle esplosioni lunghe più vicine mai viste al momento della sua scoperta, offrendo agli scienziati uno sguardo più attento al funzionamento interno non solo dei GRB, ma anche alla struttura della Via Lattea. Osservando la BOAT, hanno scoperto le onde radio mancanti in altri modelli e hanno tracciato i riflessi dei raggi X per mappare le nubi di polvere nascoste della nostra galassia.
I GRB ci collegano anche a uno dei messaggeri più ricercati dell'universo. Le onde gravitazionali sono distorsioni invisibili dello spazio-tempo, nate da eventi catastrofici come le collisioni tra stelle di neutroni. Pensa allo spazio-tempo come alla coltre onnicomprensiva dell'universo, con le onde gravitazionali come increspature che si diffondono attraverso il materiale.
Nel 2017, Fermi ha individuato il lampo di raggi gamma di una fusione di stelle di neutroni appena 1,7 secondi dopo che le onde gravitazionali erano state rilevate dalla stessa fonte. Dopo aver percorso 130 milioni di anni luce, le onde gravitazionali hanno raggiunto la Terra poco prima dei raggi gamma, dimostrando che le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce.
Gli scienziati non avevano mai rilevato il viaggio congiunto delle onde luminose e gravitazionali fino alla Terra. Questi messaggeri combinati dipingono un'immagine più vivida della fusione di stelle di neutroni.
Con la ricerca continua, la nostra conoscenza in continua evoluzione dei GRB potrebbe svelare il tessuto invisibile del nostro universo. Ma lo scoppio vero e proprio è solo la punta dell’iceberg. Una quantità infinita di informazioni incombe appena sotto la superficie, pronte per essere raccolte.
Fornito dalla NASA
