Quel mostruoso lampo gamma che sfida gli astrofisici. È il lato violento dell'Universo

QUESTA primavera l'Universo ci ha mostrato il suo lato più violento. Il 27 aprile infatti, gli astrofisici di tutto il mondo hanno osservato uno straordinario lampo di raggi gamma, testimone della violenta morte di una stella. Per seguire il lampo gamma, il più brillante ed energetico mai visto finora, è stato impiegato un vero e proprio esercito di telescopi a terra e nello spazio, fra cui Fermi, Swift e NuSTAR. L'analisi dell'evento, denominato GRB 130427A, ha coinvolto molti ricercatori italiani e prodotto ben cinque articoli scientifici, quattro su Science e uno su The Astrophysical Journal. I lavori, pubblicati ieri, contengono molte sorprese e mettono in luce le debolezze degli attuali modelli teorici.

Finale col botto. I lampi gamma, o Gamma Ray Burst (GRB) in inglese, sono le esplosioni più energetiche dell'Universo dopo il Big Bang. Come suggerisce il nome, si manifestano come potenti lampi di raggi gamma di alta energia, che appaiono nel cielo in istanti e posizioni casuali. Scoperti per caso sul finire degli anni Sessanta, questi fenomeni sono ancora oggi molto misteriosi. Si ritiene che i GRB più brevi siano causati dalla fusione di due oggetti compatti, ad esempio due stelle di neutroni. I più lunghi, come quello del 27 aprile, sarebbero invece prodotti dal collasso di stelle massicce giunte al termine della loro evoluzione. Il collasso darebbe origine a un buco nero e a un getto di particelle che viaggiano a velocità prossime a quella della luce. Poiché la materia espulsa non ha ovunque la stessa pressione, temperatura e densità, le regioni più veloci "tamponano" quelle più lente, creando delle onde d'urto interne. Quando il getto interagisce con il gas dell'ambiente circostante, si creano poi delle ulteriori onde d'urto esterne, che producono un'emissione ritardata, detta in inglese afterglow. Le particelle accelerate dalle onde d'urto interagiscono con i campi magnetici circostanti, producendo raggi X e raggi gamma. Entrambi sono tipi di luce molto più energetici della luce visibile o delle onde radio. Nel caso del GRB 130427A, il segnale luminoso ha poi attraversato miliardi di anni luce per giungere fino a noi il 27 aprile scorso.

Cronaca di una morte non annunciata. In Italia erano le 9:47 del mattino, quando il Gamma-ray Burst Monitor (GBM) a bordo del telescopio spaziale Fermi inviava la prima allerta. Il GBM è una specie di "sentinella spaziale", che può osservare i raggi gamma da quasi tutto il cielo, in modo da scovare immediatamente i GRB. Dopo soli tre secondi, il lampo gamma aveva già battuto ogni record di brillantezza.

"Gli strumenti a bordo di Fermi", commenta Ronaldo Bellazzini, coordinatore INFN di Fermi, "sono stati cruciali per studiare l'emissione di raggi gamma del GRB. Il Large Area Telescope (LAT) realizzato con il contributo decisivo dei ricercatori italiani, ha continuato a rivelare raggi gamma di alta energia per circa 20 ore, mettendo in evidenza persino un fotone da 94 GeV, il più energetico mai osservato da un GRB". Il GeV è un'unità di misura usata per esprimere l'energia in fisica delle particelle e, per dare un'idea, questa energia corrisponde a circa 40 miliardi di volte l'energia trasportata dalla luce visibile.

Pochi minuti dopo anche Swift, un altro "cacciatore di lampi gamma", iniziava le sue osservazioni "Appena ricevuti gli alert inviati dal satellite mi sono recato al computer per una primissima analisi dei dati" ricorda Alessandro Maselli, post-doc all'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)-IASF di Palermo che fa parte del team italiano di Swift ed è il primo autore di uno dei lavori su Science: "I risultati prodotti, il più importante dei quali è la misura estremamente precisa della posizione dell'afterglow, sono stati rapidamente resi disponibili alla comunità scientifica internazionale".

Ma anche da terra l'attenzione di tutti era rivolta al nuovo GRB. Pochi secondi dopo il primo impulso di raggi gamma, ecco comparire un flash di luce visibile. A scovarlo, i telescopi del progetto Rapid Telescopes for Optical Response (RAPTOR) in Nuovo Messico, dedicati all'osservazione di luce visibile dei GRB. Quell'emissione, discussa in dettaglio su The Astrophysical Journal, è salita fino alla settima magnitudine, diventando così visibile persino con un piccolo binocolo.

Un mistero a raggi gamma. La relazione fra l'emissione ottica e gamma ha lasciato di stucco gli astrofisici. Finora si pensava infatti che la luce visibile fosse legata alle onde d'urto interne, ma la coincidenza con l'emissione di raggi gamma fa pensare piuttosto alle onde d'urto esterne.  Ma questa è solo una delle lezioni che abbiamo imparato da quel GRB, come ricorda Patrizia Caraveo dell'INAF-Istituto di Astrofisica e Fisica Cosmica di Milano e responsabile per l'Italia di Fermi-LAT: "L'eccezionale brillantezza dell'evento, unita alla quantità e qualità dei dati raccolti dai diversi osservatori,  ha permesso di mettere alla prova le teorie proposte per spiegare questi lampi di emissione, dimostrando che nessuna è in grado di spiegare tutti i dettagli che sono stati osservati".

Le teorie attuali non sono infatti adeguate a spiegare tutti gli aspetti di questi fenomeni, come sottolinea Nicola Omodei dell'Università di Stanford, che ha coordinato l'analisi dei dati di Fermi-LAT di uno dei lavori su Science: "E' come avere una coperta troppo corta. Se la tirate troppo in su per coprirvi il mento, lasciate scoperte le dita dei piedi. Per il nostro modello standard, se provate a spiegare gli impulsi, fallite nel spiegarne l'energia"

Vicino ma non troppo. Le osservazioni da Terra, guidate dalle informazioni precise sulla posizione del lampo gamma, hanno permesso poi di stimare la distanza dell'evento, pari a circa 3,8 miliardi di anni luce. Si tratta cioè di un GRB relativamente vicino rispetto ad altri eventi simili. "La vicinanza e la luminosità di questo burst ne fanno un evento unico", commenta Gianpiero Tagliaferri, responsabile e coordinatore della partecipazione italiana a Swift . "La sua vicinanza ci ha permesso di scoprire la supernova associata, cosa non possibile nei GRB di pari luminosità tipicamente scoperti a distanze molto maggiori. Gli altri burst vicini fino ad oggi scoperti ed a cui è stata associata una SN erano molto più deboli. Questo burst ha quindi permesso di confermare che eventi vicini e deboli hanno caratteristiche del tutto simili a quelli più brillanti e lontani, che sono la maggioranza".

Sulla scia del lampo. Come spesso succede in questi casi, è fondamentale studiare come varia l'emissione del GRB con il passare del tempo. "Abbiamo subito capito che si trattava di un evento straordinario e nei giorni successivi abbiamo dedicato tutto il nostro tempo all'analisi dei dati che Swift continuava a raccogliere. L'intensità dell'evento è stata tale da permetterci uno studio eccezionalmente dettagliato della sua emissione nei raggi X, come mai fino ad ora era stato possibile" ribadisce Giancarlo Cusumano, responsabile e coordinatore del team Swift presso l'INAF-IASF di Palermo.

Lo spettacolare lampo gamma di aprile ha segnato anche una "prima" del Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), il telescopio per raggi X lanciato l'anno scorso dalla NASA e che vede la partecipazione italiana, soprattutto per la calibrazione e l'interpretazione dei dati. Grazie a NuSTAR, per la prima volta è stato possibile osservare i raggi X di alta energia emessi un giorno dopo l'esplosione.

A lezione dai lampi gamma. Gli eventi come GRB 130427A sono molto rari, probabilmente uno o due ogni secolo, e poterli osservare con tutti questi telescopi è stata un'opportunità unica. Dopo tutto, questi eventi ci permettono di studiare la fisica in condizioni estreme, come ricorda Giacomo Vianello dell'Università di Stanford, che ha partecipato all'analisi e all'interpretazione di tre dei lavori su Science: "Non possiamo creare un'onda d'urto relativistica in laboratorio, quindi non sappiamo davvero cosa succede al suo interno, e questa è una delle principali assunzioni incognite nel modello. Queste osservazioni sfidano i modelli e ci portano ad una migliore conoscenza della fisica". Intanto, la caccia ai lampi gamma continua.