La più grande esplosione dopo il Big Bang

Non è un’esagerazione: le esplosioni di raggi gamma (GRB) sono gli eventi più energetici nell’Universo, secondi solo a quella primordiale del Big Bang. Scoperte casualmente nel 1967, in piena Guerra Fredda, dai satelliti Vela preposti alla sorveglianza dell’attività atomica sovietica, queste esplosioni avevano una distribuzione anisotropa nello spazio. Questo significava che i lampi non provenivano dalla Terra e neppure dalla Galassia, altrimenti gli eventi sarebbero stati principalmente registrati lungo la fascia della Via Lattea. I GRB erano, dunque, un fenomeno di origine cosmica.

Le supernove furono le prime sospettate

Per molto tempo la loro origine è stata misteriosa. Erano certamente delle esplosioni, ma cosa poteva produrre così tanta energia? Le principali indiziate furono le supernove prodotte dalle stelle più massicce ma il campione sempre più numeroso di eventi permise di distinguere due classi di GRB in base alla loro durata.

In particolare, i GRB brevi durano da alcune decine di millisecondi fino a circa 2 secondi, e sono solitamente associati alla fusione di due oggetti compatti, con almeno una stella di neutroni. Sono anche emettitori di onde gravitazionali, come fu dimostrato nell’agosto 2017 con il rilevamento congiunto della fusione di stelle di neutroni binarie GW 170817 e del corto GRB 170817A. La maggior parte dei GRB lunghi dura più di 2 secondi e sono associati al collasso di stelle molto più massicce del Sole che esplodono come supernove. In comune i due tipi di esplosioni hanno la produzione di due getti collimati molto energetici che si muovono in direzioni contrapposte.

Il primo vagito di un buco nero

Gli astronomi pensano che queste esplosioni rappresentino il primo vagito di un buco nero formatosi nel nucleo di una stella massiccia appena collassata sotto il suo stesso peso. Ingerendo voracemente la materia circostante, dal buco nero partono getti in direzioni opposte contenenti particelle accelerate quasi alla velocità della luce. Questi getti attraversano la stella ed erompono all’esterno, emettendo raggi X e Gamma nel loro percorso nello spazio. Espandendosi nello spazio, collidono con il gas e la polvere rilasciata dalla stella, producendo un afterglow (bagliore residuo) di lunga durata che i telescopi possono rilevare lungo l’intero spettro elettromagnetico.

Un GRB è registrato quando uno di tali getti investe la nostra Galassia, quindi anche la Terra e i satelliti nello spazio. Questi eventi sono, infatti, osservabili alle alte energie solo dallo spazio poiché l’atmosfera terrestre si comporta come uno scudo naturale. Senza tale protezione sarebbero guai seri per la biosfera, ma per fortuna sono eventi veramente rari dentro una galassia e, anche nel caso, dovremmo essere tanto sfortunati da trovarci lungo la traiettoria di un getto collimato locale. L’essere qui a parlarne dopo 4,65 miliardi di anni, da quando si è formata la Terra, può essere considerata una prova rassicurante.

Almeno un GRB al giorno

Con gli attuali strumenti in orbita gli astronomi registrano almeno un evento per giorno. La nomenclatura è semplice: GRB data AAMMGG e una lettera maiuscola A per il primo, B per il secondo, C per il terzo evento nell’arco delle 24 ore in Tempo Universale.

L’evento lungo catalogato come GRB 221009A è stato quindi il primo registrato il 9 ottobre 2022 e non è stato ordinario, ma sembra essere stato il più potente di sempre, almeno da quando questo tipo di fenomeni sono osservati sistematicamente.

GRB 221009A, il più forte

L’esplosione è stata rilevata in principio da diversi telescopi spaziali, come Swift e Fermi della Nasa e INTEGRAL dell’Esa . Poche ore dopo il rilevamento iniziale, lo strumento X-shooter dell’ESO al VLT ha registrato uno spettro, ottenendo una prima stima della distanza. Grazie a questa misura, un team di astronomi guidato da Daniele Bjørn Malesani (Radboud University, Paesi Bassi) ha escluso l’origine del GRB nella Via Lattea, rilevando tuttavia la sua relativa vicinanza e l’intrinseca luminosità, cioè non riconducibile alla sola distanza. GRB 221009A è il più intenso e il più luminoso mai osservato nei 55 anni da quando i primi satelliti a raggi gamma sono stati messi in orbita. Secondo il team di Malesani, un’esplosione così energetica, a tale ordine di distanza, dovrebbe verificarsi una volta ogni 1000 anni.

A questo lampo veramente “Boat” (brightest of all times) abbiamo già dedicato il “Tema del mese” del numero di Cosmo uscito a gennaio (n. 35) e firmato da Patrizia Caraveo. Ma la ricerca continua.

Un gruppo di ricerca guidato da Andrew Levan (Radboud University) ha osservato questa esplosione unica con JWST a lunghezze d’onda infrarosse. La combinazione dello spettro X-shooter con i dati JWST ammette un’indagine approfondita del raro evento. Una volta che il lampo gamma si è spento, l’afterglow resta a lunghezze d’onda del visibile e infrarosso ma tende a svanire molto rapidamente. Le osservazioni devono essere tempestive e capillari il più possibile. GRB come questo sono molto rari perciò è stato anche un vero colpo di fortuna per gli astronomi poterlo osservare alla nostra epoca avendo tanta tecnologia per farlo.

10-20 volte più della media

L’energia veicolata dal fascio collimato di GRB 221009A è almeno 10-20 volte più che qualsiasi altra e abbastanza intensa da causare effetti rilevabili alla ionosfera superiore. È anche il primo GRB con fotoni che raggiungono l’energia record di 18 TeV. Le osservazioni hanno mostrato uno spostamento verso il rosso z=0,151, corrispondente a una distanza di 2,4 miliardi di anni luce. Questa è una grande distanza per gli standard umani ma è insolitamente vicina per i GRB che di norma sono a z nettamente maggiori. La galassia ospite è una di quelle alle quali non si presta attenzione perché debolissima e difficile da osservare anche per i più grandi telescopi al suolo.

Questo GRB è durato circa 10 ore, abbastanza per un efficace follow-up tra più strumenti operanti a varie lunghezze d’onda. Tali transienti sono di solito alquanto deboli e la loro osservazione diventa prioritaria su altre, anche già programmate.  I più grandi telescopi professionali puntarono immediatamente la sorgente al fine di ottenere quanti più dati possibili. Le osservazioni di follow-up coinvolgono spesso più strumenti in posti diversi della Terra e questo permette di seguirne l’evoluzione nel corso delle ore o giorni. Talvolta anche valenti strutture amatoriali partecipano a tali operazioni, essenzialmente per dati fotometrici.

Dati preziosi anche dal TNG

Questo è accaduto con GRB 221009A, la cui controparte è stata puntata pure dal Telescopio Spaziale Hubble.  Anche il nostro Telescopio Nazionale Galileo (TNG) ha partecipato alla campagna di follow-up alle lunghezze d’onda IR con NICS (Near Infrared Camera Spectrometer). Lo strumento ha monitorato la luminosità della sorgente dal 16 ottobre al 21 novembre 2022. In particolare, le osservazioni del 22 ottobre sono quasi simultanee con quelle spettroscopiche del JWST in IR, quasi 13 giorni dopo la comparsa. I dati congiunti JWST + TNG permettono un’indagine dettagliata dell’evento, fornendo limiti stringenti alla presenza di una supernova associata.