Fermi della NASA ha rilevato uno strano impulso di radiazioni ad alta energia che corre verso la Terra

Quando il nucleo di una stella massiccia collassa, può formare un buco nero. Parte del materiale circostante fuoriesce sotto forma di potenti getti che si precipitano verso l’esterno quasi alla velocità della luce in direzioni opposte, come mostrato qui. I getti delle stelle che collassano producono tipicamente raggi gamma per diversi secondi o minuti. Gli astronomi ritengono che i getti di GRB 200826A si siano spenti rapidamente, causando il più breve lampo di raggi gamma (viola) da una stella in collasso mai visto. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA / Chris Smith (KBRwyle)

Il 26 agosto 2020, il telescopio spaziale Fermi Gamma Ray della NASA ha rilevato un impulso di radiazione ad alta energia che correva verso la Terra per quasi metà della vita dell’universo attuale. Durando solo circa un secondo, si è rivelato essere uno dei libri dei record: il più breve lampo di raggi gamma (GRB) causato dalla morte di una stella massiccia mai vista.

I GRB sono gli eventi più potenti dell’universo e possono essere rilevati in miliardi di anni luce. Gli astronomi lo classificano come lungo o corto a seconda che l’evento durerà più di due secondi o meno. Hanno osservato lunghe esplosioni associate alla scomparsa di stelle massicce, mentre quelle brevi sono state collegate a uno scenario diverso.

Gli astronomi hanno raccolto dati dal telescopio spaziale Fermi Gamma Ray della NASA, da altre missioni spaziali e da osservatori a terra per rivelare l’origine del GRB 200826A, un breve ma potente scoppio di radiazioni. È l’esplosione più breve conosciuta per essere alimentata da una stella in collasso, e non è quasi mai avvenuta. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

«Sapevamo già che alcuni GRB di stelle massicce potevano registrarsi come GRB brevi, ma pensavamo che ciò fosse dovuto a limitazioni meccanicistiche», ha affermato Bin-bin Zhang dell’Università di Nanchino in Cina e dell’Università del Nevada a Las Vegas. «Questa esplosione è speciale perché è sicuramente un GRB di breve durata, ma le sue altre caratteristiche indicano la sua origine da una stella che collassa. Ora sappiamo che anche le stelle morenti possono produrre brevi esplosioni».

L’eruzione è stata denominata GRB 200826A, dopo la sua data di insorgenza, ed è oggetto di due articoli pubblicati su Nature Astronomy lunedì 26 luglio. Il primo, guidato da Zhang, esplora i dati dei raggi gamma. Il secondo, guidato da Thomas Ahomada, uno studente di dottorato presso l’Università del Maryland, College Park e il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, descrive lo sbiadimento delle molteplici lunghezze d’onda delle aurore GRB e la luce emergente della successiva supernova esplosione.

«Pensiamo che questo evento sia stato effettivamente un fallimento, un evento che stava per accadere», ha detto Ahumada. «Tuttavia, l’esplosione ha rilasciato 14 milioni di volte più energia dell’intera Via Lattea durante lo stesso periodo di tempo, rendendolo uno dei GRB a corto raggio più attivi di sempre».

Quando una stella molto più grande del Sole esaurisce il carburante, il suo nucleo collassa improvvisamente e forma un buco nero. Mentre la materia ruota verso il buco nero, parte di essa fuoriesce sotto forma di due potenti getti che si precipitano verso l’esterno quasi alla velocità della luce in direzioni opposte. Gli astronomi rilevano un GRB solo quando uno di questi getti punta quasi direttamente verso la Terra.

Ogni getto attraversa la stella, producendo un impulso di raggi gamma – la forma di luce a più alta energia – che può durare fino a minuti. Dopo l’esplosione, la stella in frantumi si espande rapidamente in una supernova.

D’altra parte, i GRB corti si formano quando coppie di oggetti compatti – come le stelle di neutroni, che si formano anche durante il collasso stellare – si scontrano verso l’interno per miliardi di anni. Recentemente le osservazioni di Fermi hanno aiutato a dimostrare che, nelle galassie vicine, anche i bagliori giganti di stelle di neutroni isolate e stelle supermagnetiche si mascherano da brevi lampi di raggi gamma.

GRB 200826A è stata una forte esplosione di emissioni ad alta energia che è durata solo 0,65 secondi. Dopo aver viaggiato per diversi eoni attraverso l’universo in espansione, il segnale si è allungato per circa un secondo quando è stato rilevato dallo strumento Fermi che osservava il lampo gamma. L’evento è stato anche presentato negli strumenti a bordo della missione Wind della NASA, che orbita in un punto tra la Terra e il sole a circa 930.000 miglia (1,5 milioni di chilometri) di distanza, e Mars Odyssey, che orbita attorno al pianeta rosso dal 2001. ESA (European Space Continuity ) Anche il satellite INTEGRAL dell’agenzia è esploso.

Tutte queste missioni partecipano a un sistema di posizionamento GRB chiamato International Planetary Network (IPN), per il quale il Progetto Fermi fornisce tutti i finanziamenti statunitensi. Poiché lo splash raggiunge ciascun rilevatore in momenti leggermente diversi, qualsiasi coppia di essi può essere utilizzata per restringere il punto in cui si verifica nel cielo. Circa 17 ore dopo il GRB, l’IPN ha ristretto la sua posizione a una porzione di cielo relativamente piccola nella costellazione di Andromeda.

Utilizzando la Zwicky Transit Facility (ZTF) presso l’Osservatorio di Palomar, finanziata dalla National Science Foundation, il team ha scansionato il cielo alla ricerca di cambiamenti nella luce visibile che potrebbero essere collegati alle aurore del GRB in dissolvenza.

GRB 200826 Rilevata un’immagine dell’aurora in dissolvenza (al centro). Credito: ZTF e T. Ahumada et al. , 2021

«Fare questa ricerca è come cercare di trovare un ago in un pagliaio, ma l’IPN aiuta a rimpicciolire il pagliaio», ha detto Shreya Anand, uno studente laureato al Caltech e coautore dell’articolo di Twilight. «Degli oltre 28.000 avvisi ZTF della prima notte, solo uno ha soddisfatto tutti i nostri criteri di ricerca ed è apparso anche nella regione del cielo definita dall’IPN».

Entro un giorno dall’esplosione, l’Osservatorio Swift di Neil Gehrells della NASA ha rilevato un’emissione di raggi X in dissolvenza dalla stessa posizione. Due giorni dopo, un’emissione radio variabile è stata rilevata dal Karl Jansky Very Large Array del National Astronomy Radio Observatory nel New Mexico. Il team ha quindi iniziato a osservare l’aurora con una varietà di strutture a terra.

Osservando la debole galassia associata all’esplosione utilizzando il Gran Telescopio Canarias, un telescopio di 10,4 metri presso l’Osservatorio del Roque de los Muchachos a La Palma, nelle Isole Canarie, in Spagna, il team ha dimostrato che la sua luce impiega 6,6 miliardi di anni per raggiungerci. Ciò rappresenta il 48% dell’età attuale dell’universo di 13,8 miliardi di anni.

Ma per dimostrare che questa breve esplosione proveniva dal collasso di una stella, i ricercatori avevano anche bisogno di catturare la supernova emergente.

«Se l’esplosione è stata causata dal collasso di una stella, una volta che la successiva aurora svanisce, dovrebbe riaccendersi a causa dell’esplosione della supernova primaria», ha affermato Leo Singer, astrofisico di Goddard e consulente della ricerca di Ahumada. «Ma a queste distanze, è necessario un telescopio molto grande e molto sensibile per catturare il punto di luce della supernova dal bagliore di fondo della galassia ospite».

Per condurre la ricerca, a Singer è stato concesso del tempo con il Gemini North Telescope da 8,1 metri alle Hawaii e utilizzando uno strumento sensibile chiamato Gemini Multi-Object Spectrometer. Gli astronomi hanno ripreso la galassia ospite con luce rossa e infrarossa a partire da 28 giorni dopo l’esplosione, ripetendo la ricerca 45 e 80 giorni dopo l’evento. Hanno rilevato una sorgente nel vicino infrarosso – una supernova – nella prima serie di osservazioni che non può essere vista nelle osservazioni successive.

I ricercatori ritengono che questa esplosione sia stata guidata da getti che sono appena usciti dalla stella prima di chiudersi, piuttosto che dal caso più comune in cui getti di lunga durata eruttano dalla stella e percorrono lunghe distanze da essa. Se il buco nero emettesse getti più deboli, o se la stella fosse molto più grande quando ha iniziato a collassare, potrebbe non esserci stato affatto un GRB.

Questa scoperta aiuta a risolvere un mistero di vecchia data. Mentre i GRB lunghi devono essere associati alle supernove, gli astronomi scoprono un numero molto maggiore di supernovae rispetto a quelle lunghe. Questa discrepanza persiste anche dopo aver tenuto conto del fatto che i GRB devono avvicinarsi alla nostra linea di vista affinché gli astronomi possano rilevarli.

I ricercatori concludono che le stelle in collasso che producono GRB corti devono essere stati marginali che oscillano alla velocità della luce sull’orlo del successo o del fallimento, una conclusione coerente con l’idea che la maggior parte delle stelle massicce muoia senza produrre getti e GRB. Più in generale, questo risultato dimostra chiaramente che la durata del burst da sola non indica in modo univoco la sua fonte.

Riferimenti:

«Uno strano lampo gamma di breve durata a seguito del collasso del nucleo di una stella massiccia» di B.-B. Chang, Z.-K. Liu, Z.-K. Bing, Y. Lee, H.-C. Lu, J.; Yang, Y.-S. Yang, Y.-H. Yang, Y.-Z. Meng, c. Zou, H.-Y. Sì, X.-G. Wang, J.-R. Mao, X.-H. Chow, c. Bay, A.G.; Castro; Tirado, Y.-D. Lui, Z.-G. Giorno, E.; Liang e B. Zhang, 26 luglio 2021, disponibile qui. astronomia naturale.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01395-z

«Scoperta e conferma della più breve esplosione di raggi gamma dal collasso» di Thomas Ahomada, Leo B. Singer, Shreya Anand, Michael W. Coughlin, Mansi M. , Harsh Kumar, Peter TH Pang, Eric Burns, Virginia Cunningham, Simone Dichiara, Tim Dietrich, Dimitri S. Svenkin, Moza Mwala, Alberto J. Astro-Tirado, Keshalai D., Rachel Dunwoody, Pradeep Jatkin, Erica Hammerstein, Shabnam Iani, Joseph Mangan, Dan Burley, Sonalika Burkayasta, Eric Belm, Varun Bhalerau, Bryce Bolin, Mattia Paula, Christopher Canella, Poonam Chandra, Dmitri A. Dove, Dmitri Fredericks, Avishai Gal Yam, Matthew Graham, Anna Y Qiu Ho, Kevin Hurley, Viraj Karampilkar, Eric C. Cole, SR Kulkarni, Ashish Mahabal, Frank Massey, Sheila McBrain, Shashi B Pandey, Simeon Riosch, Anna Rednaya, Philip Rosnett, Benjamin Rusholme, Anna Sagues Carracedo, Roger Smith, Mayan Somaniak, Robert Stein, Eleonora Troga, Anastasia Tsvetkova, Richard Walters A Azmeh Valev, 26 luglio 2021, astronomia naturale.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01428-7

Il Fermi Gamma Ray Space Telescope è una partnership in astrofisica e fisica delle particelle gestita dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, con importanti contributi di istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti.