Fuori con il botto: La fusione esplosiva di stelle di neutroni catturata per la prima volta in luce millimetrica


Gli scienziati che utilizzano l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hanno registrato per la prima volta la luce a lunghezza d’onda millimetrica di un’esplosione infuocata causata dalla fusione di una stella di neutroni con un’altra stella. Il team ha inoltre confermato che questo lampo di luce è uno dei più energetici lampi di raggi gamma di breve durata mai osservati, lasciando dietro di sé uno degli afterglow più luminosi mai registrati.


I lampi di raggi gamma (GRB) sono le esplosioni più luminose ed energetiche dell’Universo, in grado di emettere in pochi secondi più energia di quanta ne emetta il nostro Sole durante la sua intera vita. Il GRB 211106A appartiene a una sottoclasse di GRB nota come gamma-ray burst di breve durata. Queste esplosioni – che gli scienziati ritengono responsabili della creazione degli elementi più pesanti dell’Universo, come il platino e l’oro – derivano dalla fusione catastrofica di sistemi stellari binari contenenti una stella di neutroni. “Queste fusioni avvengono a causa della radiazione delle onde gravitazionali che sottrae energia all’orbita delle stelle binarie, facendo sì che le stelle si muovano a spirale l’una verso l’altra“, ha dichiarato Tanmoy Laskar, che presto inizierà a lavorare come assistente alla cattedra di fisica e astronomia presso l’Università dello Utah.

L’esplosione risultante è accompagnata da getti che si muovono a una velocità prossima a quella della luce. Quando uno di questi getti viene puntato verso la Terra, osserviamo un breve impulso di radiazione gamma o un GRB di breve durata“.

Nel filmato time-lapse di un gamma-ray burst di breve durata in luce millimetrica, vediamo il GRB 21106A ripreso da ALMA. La luce millimetrica che si vede qui individua la posizione dell’evento in una lontana galassia ospite. L’evoluzione della luminosità della luce millimetrica fornisce informazioni sull’energia e sulla geometria dei getti prodotti nell’esplosione.

Un GRB di breve durata di solito dura solo pochi decimi di secondo. Gli scienziati cercano quindi un afterglow, un’emissione di luce causata dall’interazione dei getti con il gas circostante. Tuttavia, sono difficili da rilevare; solo una mezza dozzina di GRB di breve durata sono stati rilevati a lunghezze d’onda radio e finora nessuno era stato rilevato a lunghezze d’onda millimetriche. Laskar, che ha guidato la ricerca mentre era presso l’Università Radboud nei Paesi Bassi, ha detto che la difficoltà è data dall’immensa distanza dei GRB e dalle capacità tecnologiche dei telescopi.

Gli afterglow dei GRB di breve durata sono molto luminosi ed energetici. Ma queste esplosioni avvengono in galassie lontane, il che significa che la loro luce può essere piuttosto debole per i nostri telescopi sulla Terra. Prima di ALMA, i telescopi millimetrici non erano abbastanza sensibili per rilevare questi afterglows“.

Avvenuto quando l’Universo aveva appena il 40% della sua età attuale, il GRB 211106A non fa eccezione. La luce di questo gamma-ray burst di breve durata era così debole che, mentre le prime osservazioni ai raggi X con l’Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA hanno visto l’esplosione, la galassia ospite non era rilevabile a quella lunghezza d’onda e gli scienziati non sono stati in grado di determinare esattamente la provenienza dell’esplosione.

La luce di postglow è essenziale per capire da quale galassia proviene un burst e per saperne di più sul burst stesso. Inizialmente, quando era stata scoperta solo la controparte a raggi X, gli astronomi pensavano che questo burst potesse provenire da una galassia vicina“, ha detto Laskar, aggiungendo che una quantità significativa di polvere nell’area ha anche oscurato l’oggetto dal rilevamento nelle osservazioni ottiche con il telescopio spaziale Hubble.

Ogni lunghezza d’onda ha aggiunto una nuova dimensione alla comprensione del GRB da parte degli scienziati e il millimetro, in particolare, è stato fondamentale per scoprire la verità sul burst.

Le osservazioni di Hubble hanno rivelato un campo di galassie immutabile. L’impareggiabile sensibilità di ALMA ci ha permesso di individuare con maggiore precisione la posizione del GRB in quel campo, che si è rivelato essere in un’altra debole galassia, più lontana. Ciò significa che questo gamma-ray burst di breve durata è ancora più potente di quanto pensassimo, rendendolo uno dei più luminosi ed energetici mai registrati“, ha detto Laskar.

Wen-fai Fong, professore assistente di fisica e astronomia presso la Northwestern University, ha aggiunto: “Questo gamma-ray burst è stato il primo tentativo di osservare un evento del genere con ALMA. Gli afterglow di brevi burst sono molto difficili da trovare, quindi è stato spettacolare cogliere questo evento così luminoso“. Dopo molti anni di osservazione di questi burst, questa sorprendente scoperta apre una nuova area di studio e ci spinge a osservarne molti altri in futuro con ALMA e con altri telescopi“.

Joe Pesce, National Science Foundation Program Officer per NRAO/ALMA, ha dichiarato: “Queste osservazioni sono fantastiche a molti livelli. Forniscono ulteriori informazioni per aiutarci a comprendere gli enigmatici gamma-ray burst (e l’astrofisica delle stelle di neutroni in generale) e dimostrano quanto siano importanti e complementari le osservazioni a più lunghezze d’onda con telescopi spaziali e terrestri per la comprensione dei fenomeni astrofisici“.

C’è ancora molto lavoro da fare su più lunghezze d’onda, sia con i nuovi GRB che con il GRB 211106A, che potrebbe rivelare ulteriori sorprese su questi burst. “Lo studio dei GRB di breve durata richiede il rapido coordinamento di telescopi in tutto il mondo e nello spazio, che operano a tutte le lunghezze d’onda“, ha dichiarato Edo Berger, professore di astronomia all’Università di Harvard. “Nel caso del GRB 211106A, abbiamo utilizzato alcuni dei più potenti telescopi disponibili: ALMA, il Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) della National Science Foundation, il Chandra X-ray Observatory della NASA e il telescopio spaziale Hubble. Con il James Webb Space Telescope (JWST), ora operativo, e i futuri telescopi ottici e radio da 20-40 metri, come il VLA di nuova generazione (ngVLA), saremo in grado di produrre un quadro completo di questi eventi cataclismatici e di studiarli a distanze mai viste prima“.

Laskar ha aggiunto: “Con JWST, ora possiamo prendere uno spettro della galassia ospite e conoscerne facilmente la distanza; in futuro, potremmo anche usare JWST per catturare gli afterglow nell’infrarosso e studiarne la composizione chimica. Con ngVLA, saremo in grado di studiare la struttura geometrica degli afterglow e il combustibile di formazione stellare che si trova nei loro ambienti ospitanti con un dettaglio senza precedenti. Sono entusiasta di queste prossime scoperte nel nostro campo.


Maggiori informazioni:

“The First Short GRB Millimeter Afterglow: The Wide-Angled Jet of the Extremely Energetic SGRB 211106A,” Laskar et al (2022), The Astrophysical Journal Letters, qui il pre-print.

Fonte