Il 9 ottobre 2022, l’Osservatorio orbitante Swift ha registrato per la prima volta il lampo di raggi gamma insolitamente luminoso GRB 221009A.
Nei mesi successivi, i ricercatori di tutto il mondo hanno analizzato la fonte dei raggi gamma per recuperare i dettagli dell'insolito evento astronomico e trovarne l'origine.
La posizione del lampo gamma GRB 221009A sullo sfondo della Via Lattea. Immagine: Goddard Space Flight Center della NASA
Cos'è un lampo di raggi gamma?
Lampo di raggi gamma (GRB)gli astrofisici chiamano un'esplosione a breve termine di radiazioni gamma, un flusso di fotoni con una lunghezza d'onda estremamente corta (meno di 2⋅10−10 m) e un'elevata energia. Tali eventi astronomici rappresentano il rilascio di enormi quantità di energia e, di regola, vengono registrati in galassie distanti. Un lampo di raggi gamma è uno degli eventi più luminosi dell’Universo.
I ricercatori hanno scoperto relativamente i lampi di raggi gammarecentemente: negli anni '60 del secolo scorso. Nel 1963 la NASA mandò in orbita il satellite militare Vela, dotato di rilevatori di neutroni, raggi X e raggi gamma. Avrebbe dovuto monitorare il rispetto da parte dell'URSS e di altri paesi del Trattato sulla messa al bando degli esperimenti nucleari. Gli strumenti del satellite non hanno rilevato test nucleari, ma hanno scoperto accidentalmente esplosioni di radiazioni gamma provenienti dallo spazio profondo.
I ricercatori distinguono due tipi di lampi di raggi gamma,che si differenziano per durata: breve e lunga. La prima categoria comprende flash che durano da pochi millisecondi a due secondi. Si ritiene che la fonte di un tale evento sia la fusione di due stelle di neutroni con la formazione di una kilonova o l'assorbimento di una stella di neutroni da parte di un buco nero.
Il secondo tipo sono i lampi gamma lunghi.Possono durare da pochi secondi a diversi minuti. L'ipotesi principale suggerisce che i lunghi lampi di raggi gamma siano associati all'esplosione di una supernova: lo stadio finale dell'evoluzione delle stelle, la cui massa è 10 o più volte maggiore del sole. Ma nel 2022, gli astrofisici dell'osservatorio Gemini hanno riportato la scoperta di una kilonova, formatasi dopo la fusione di stelle di neutroni, nel sito del lungo lampo di raggi gamma GRB 211211A registrato un anno prima.
Immagine animata di un lungo lampo di raggi gamma associato al collasso di una stella massiccia. Animazione: Goddard Space Flight Center della NASA
Cosa c'è di insolito nel lampo di raggi gamma GRB 221009A?
Il lampo gamma di GRB 221009A è durato più dicinque minuti. Ciò significa che appartiene a esplosioni lunghe ed è molto probabilmente associato al collasso del nucleo di una stella massiccia in un buco nero e all'esplosione di una supernova. Sorprendentemente, nel tempo trascorso dalla prima osservazione di un lampo di raggi gamma, i ricercatori non sono stati in grado di confermare la formazione di una supernova nel luogo dell'esplosione o di trovare una fonte alternativa di radiazione.
Inoltre, lo splash era così brillante cheaccecavano la maggior parte dei rivelatori di raggi gamma cosmici, quindi non potevano catturare direttamente l'effettiva intensità della radiazione. I ricercatori hanno utilizzato i dati raccolti dal Fermi Telescope e dal Cone Gamma Ray Spectrometer per ricostruire queste informazioni. L'analisi ha mostrato che GRB 221009A era 70 volte più luminoso di qualsiasi altro lampo di raggi gamma osservato.
Confronto tra GRB 221009A e i quattro lampi di raggi gamma più potenti registrati in precedenza. Immagine: Goddard Space Flight Center della NASA e Adam Goldstein (USRA)
Calcoli effettuati dagli astrofisici del progetto"Integral" dell'Agenzia spaziale europea (ESA), mostrano che durante l'esplosione, circa un gigawatt di potenza è caduto negli strati superiori dell'atmosfera terrestre. Questo è equivalente alla potenza di una centrale elettrica terrestre. L'evento è stato così brillante che ancora oggi è ancora visibile il bagliore residuo di lunghezza d'onda più lunga, il bagliore residuo.
Analisi di un campione di 7.000I GRB registrati da Fermi e Cone mostrano che tali GRB su larga scala dovrebbero verificarsi più spesso di una volta ogni 10.000 anni. "GRB 221009A è stata probabilmente la più brillante esplosione di raggi X e raggi gamma dagli albori della civiltà umana", ha affermato Eric Burns, ricercatore presso la Louisiana State University di Baton Rouge.
L'ultimo bagliore di GRB 221009A, catturato dal telescopio Hubble. Immagine: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University); Elaborazione delle immagini: Gladys Kober
Cosa hanno imparato gli astrofisici?
Per ricostruire meglio la storia del lampo di raggi gamma, i ricercatori hanno utilizzato strumenti che rilevano la radiazione elettromagnetica in una varietà di lunghezze d'onda, dalle onde radio ai raggi gamma.
I primi risultati scientifici mostrano comeI raggi X hanno illuminato le nuvole di polvere nella Via Lattea mentre si diffondevano. I ricercatori hanno calcolato che la radiazione ha viaggiato attraverso lo spazio intergalattico per circa 1,9 miliardi di anni prima di entrare nella nostra galassia. Si è scontrato con la prima nuvola di polvere alla "periferia" della Via Lattea circa 60mila anni fa, e con l'ultima - circa mille.
Ogni volta che i raggi X si scontravanocon la nuvola di polvere, hanno disperso parte della radiazione, creando anelli concentrici che sembravano espandersi verso l'esterno. Il telescopio spaziale a raggi X XMM-Newton dell'ESA ha osservato questi anelli per diversi giorni dopo il lampo di raggi gamma. Le nuvole vicine hanno formato gli anelli più grandi semplicemente perché appaiono più grandi in prospettiva, spiegano gli scienziati.
Anelli di polvere di GRB 221009A osservati da un telescopio a raggi X. Immagine: ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)
In viaggio attraverso la Via Lattea, raggi Xilluminato in sequenza 20 nuvole di polvere della nostra galassia. L'analisi delle radiazioni ha aiutato a calcolare la loro distanza e ad analizzare le proprietà delle loro particelle costituenti.
Nel corso degli anni, i ricercatori hanno proposto una serie divarie teorie che descrivono le proprietà dei granelli di polvere. I ricercatori hanno sovrapposto questi schemi ai dati raccolti. Hanno scoperto che un modello che suggerisce che le particelle sono costituite principalmente da grafite, una forma cristallina di carbonio, si adatta meglio alle osservazioni.
Fonte misteriosa
Nonostante la grande mole di dati raccoltirimane un mistero cosa abbia causato esattamente un lampo di raggi gamma così luminoso. Poiché la versione principale collega lunghi lampi di raggi gamma all'esplosione di una supernova, i ricercatori hanno utilizzato i telescopi spaziali James Webb e Hubble per cercare l'inizio di una futura nebulosa. Ma nessuno dei telescopi ha trovato nulla nel luogo della presunta esplosione.
Una possibile ragione è quellaIl GRB è apparso in una parte del cielo che si trova solo pochi gradi sopra il piano della Via Lattea, dove spesse nubi di polvere possono offuscare notevolmente la luce incidente. Se è così, forse ulteriori osservazioni aiuteranno a trovare i resti della supernova.
Illustrazione dei componenti principali di un lungoburst di raggi gamma, il tipo più comune. Il nucleo di una stella massiccia (a sinistra) è collassato, formando un buco nero che invia nello spazio un flusso di particelle che si muovono attraverso il materiale della stella quasi alla velocità della luce. Le emissioni attraverso l'intero spettro derivano dal gas caldo ionizzato vicino al buco nero appena nato, dalle collisioni tra gusci di gas in rapido movimento all'interno del getto (onde d'urto interne) e dal bordo anteriore del getto mentre si allontana e interagisce con l'ambiente circostante. (shock esterno). Immagine: Goddard Space Flight Center della NASA
Un'ipotesi alternativa suggerisce che la stellaera così massiccio che dopo l'esplosione iniziale si formò immediatamente un buco nero, che inghiottì tutto il materiale che altrimenti avrebbe formato una nube di gas.
Gli astrofisici continuano a cercare restistella che esplode. I ricercatori stanno ora cercando tracce di elementi pesanti come l'oro, che si ritiene si formino in potenti esplosioni associate al collasso del nucleo di una stella massiccia.
I ricercatori notano anche che è probabile cheL'insolita potenza del lampo di raggi gamma è dovuta al fatto che il getto di energia (getto) espulso durante la formazione del buco nero era diretto direttamente sulla Terra. Analizzare il bagliore residuo e la polarizzazione della luce da una tale esplosione aiuterà a saperne di più su come si formano i getti.
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In copertina: illustrazione artistica di un lampo di raggi gamma. Immagine: NASA/Swift/Cruz deWilde