Scoperta nello spazio profondo: Uno strano gamma-ray burst costringe a rivedere il quadro teorico


I misteri del cosmo continuano a stupire gli astronomi e ogni nuova osservazione offre l’opportunità di approfondire o migliorare la nostra comprensione dell’universo.


Nell’edizione del 7 dicembre della rivista Nature, un team internazionale di astrofisici riferisce la scoperta di un unico gamma-ray burst (GRB) cosmologico che sfida le teorie prevalenti su come si formano le violente esplosioni cosmiche. Questo “strano” burst ha portato il team a proporre un nuovo modello, o sorgente, per alcuni tipi di GRB.

I lampi di raggi gamma sono le esplosioni più luminose e violente dell’universo. Indicano la morte di stelle o la collisione di resti stellari. I GRB osservati sono tipicamente classificati in due categorie: GRB di breve o lunga durata. I GRB lunghi hanno origine dalla morte di stelle massicce e sono tipicamente associati a transienti ottici luminosi chiamati supernovae. I GRB brevi hanno una durata inferiore ai due secondi e si originano dalla collisione di due stelle di neutroni o di una stella di neutroni e un buco nero e sono tipicamente associati a transitori ottici più deboli noti come kilonovae.

Per decenni, i GRB sono stati inseriti in queste accoglienti categorie. Fino ad oggi.

L’11 dicembre 2021, un GRB ha innescato diversi rivelatori di raggi gamma nello spazio, tra cui il Fermi Gamma-ray Telescope della NASA e l’Osservatorio Swift di Neil Gehrels. Questo scoppio, della durata di quasi 70 secondi, sarebbe stato considerato come un normale GRB lungo. Questo fino a quando diversi team statunitensi ed europei hanno effettuato osservazioni di follow-up e hanno scoperto una firma sorprendente.

Questa immagine di Gemini North, sovrapposta a un’immagine scattata con il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, mostra l’evidente bagliore nel vicino infrarosso di una kilonova prodotta dal GRB 211211A.

Questo GRB comprende due parti: un picco duro di 13 secondi e un’emissione estesa più morbida di 55 secondi“, ha detto l’ex allievo dell’UNLV e autore corrispondente dello studio Bin-Bin Zhang, che attualmente lavora presso l’Università cinese di Nanjing. “La durata del picco duro di 13 secondi avrebbe dovuto escludere completamente questo burst dalla categoria dei GRB brevi“.

In altre parole, invece di mostrare una supernova molto più luminosa, come ci si aspettava, l’osservazione era coerente con una kilonova, più tipicamente associata a un GRB breve.

Un GRB così particolare è il primo del suo genere mai rilevato“, ha dichiarato il professore di astrofisica dell’UNLV Bing Zhang, coautore dell’articolo su Nature. “Questa scoperta non solo ha messo in discussione la nostra comprensione delle origini dei GRB, ma ci impone anche di considerare un nuovo modello per la formazione di alcuni GRB”.

Il team di ricerca ritiene che questo GRB unico, noto come GRB 211211A, si sia probabilmente formato attraverso la collisione tra una stella di neutroni e una nana bianca, la cosiddetta fusione WD-NS.

Le nane bianche sono oggetti di dimensioni terrestri che si formano dalla morte di stelle di bassa massa, quelle con una massa inferiore a quella di circa otto Soli. Le stelle di neutroni si formano quando muoiono le stelle più massicce, quelle con una massa compresa tra circa otto e 20 Soli. Quando le stelle ancora più grandi muoiono, formano direttamente i buchi neri.

Le stelle massicce e a bassa densità producono GRB di lunga durata, mentre le stelle ad alta densità, comprese le stelle di neutroni, producono GRB di breve durata. Secondo Zhang dell’UNLV, le nane bianche hanno densità intermedie, che le rendono origini ideali per il tipo di GRB scoperto nel 2021, in quanto mostra una durata intermedia lunga senza coinvolgere una stella massiccia.

Nonostante il numero relativamente elevato di GRB osservati ogni anno, la firma unica del GRB 211211A ha superato i limiti dei nostri attuali sistemi di categorizzazione e ha richiesto un nuovo modo di pensare“, ha detto Zhang. “Dopo un’attenta analisi, l’unico scenario di fusione che aveva senso era quello di una nana bianca e di una stella di neutroni“.

Il dottorando dell’UNLV Shunke Ai e uno studente dell’Università di Nanjing hanno collaborato allo sviluppo di un modello dettagliato per interpretare la particolare firma di kilonova osservata dal GRB 211211A. Ai ha scoperto che se una fusione WD-NS lascia dietro di sé una stella di neutroni in rapida rotazione, nota come magnetar, l’iniezione di energia supplementare dalla magnetar combinata con l’energia di reazione nucleare del materiale lanciato durante il burst può spiegare l’emissione di kilonova osservata per il GRB 211211A.

Lo studio, “A long-duration gamma-ray burst with a peculiar origin“, è apparso il 7 dicembre sulla rivista Nature.

L’articolo comprende 10 co-autori di 4 istituzioni, di cui l’UNLV e l’Università di Nanjing sono le istituzioni capofila. Nello stesso numero sono stati pubblicati tre articoli paralleli che riportano il rilevamento della kilonova. Questo articolo si concentra sulla peculiare emissione di raggi gamma e propone il modello di fusione WD-NS per interpretare i dati.

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