Gamma Ray-Burst

Scoperti alla fine degli anni ’60, i lampi gamma (o GRB, dall’inglese “Gamma-Ray Bursts”) costituiscono tuttora una delle maggiori sfide per l’astrofisica moderna. Si tratta di improvvise emissioni di raggi X “duri” (o “gamma molli”), con durate che possono variare da una frazione di secondo a centinaia di secondi e provenienti da direzioni casuali e sempre diverse. A dispetto di un’intensità che supera di gran lunga quella di tutte le altre sorgenti celesti messe insieme e di una frequenza di circa uno al giorno, l’origine dei GRB è rimasta completamente oscura almeno fino alla metà degli anni ’90, quando ancora si dibatteva se essi provenissero da un alone galattico, da distanze cosmologiche o addirittura dalla nube di Oort che circonda il nostro sistema solare. Dal 1997, grazie alle misure effettuate dal satellite italo-olandese per l’astronomia X, BeppoSAX, tramite strumentazione sviluppata e gestita da ricercatori di IASF Bologna, è stato possibile localizzare con accuratezza senza precedenti alcuni lampi gamma, scoprirne le controparti ottiche e le galassie ospiti ed arrivare a stabilirne la scala di distanze cosmologica (da centinaia di milioni a diversi miliardi di anni luce), l’enorme luminosità (che può superare un miliardo di milardi di volte quella solare) e la connessione di almeno una parte di essi con particolari tipi di supernovae. Oltre ai risultati rivoluzionari di BeppoSAX, i ricercatori di IASF Bologna hanno contribuito e continuano a contribuire in modo importante alla risoluzione di questo grande mistero per la scienza moderna con ricerche che vanno dall’analisi sitematica dei dati X e gamma forniti dagli attuali sateliti, alle osservazioni ottiche, alle applicazioni cosmologiche, alla progettazione di futuri esperimenti.

Il cielo alle alte energie

Sopra: sorgenti rivelate nella banda 20-100 keV da INTEGRAL/IBIS e Swift/BAT sovrapposte al cielo ottico (data rights chiesti in attesa di ok).
Sotto: immagine ingrandita di una porzione del piano della galassia (vedi rettangolo sopra) come vista da INTEGRAL.

A distanze cosmiche avvengono esplosioni di dimensioni inimmaginabili. Esse liberano grandissime quantità di energia, in massima parte sotto forma di radiazioni che sono invisibili ai nostri occhi. Raccogliendo queste radiazioni, le missioni gamma ci danno una visione dell’universo molto diversa da quella che abbiamo quando guardiamo il cielo in una notte limpida. I raggi gamma rappresentano la forma di radiazione più energetica in natura. Essi trasportano ingenti quantità di energia prodotta da alcuni tra i più catastrofici eventi astronomici. Vi sono stelle che esplodono, stelle di neutroni che collidono e materia ingoiata dai  buchi neri. Inoltre, i raggi gamma sono prodotti da particelle relativistiche intrappolate in campi magnetici milioni di milioni di volte superiori a quello che fa orientare l’ago della bussola sulla terra. Tutti questi fenomeni rilasciano copiosi quantitativi di energia, gran parte della quale è trasportata fino a noi appunto sotto forma di raggi gamma. I ricercatori dell’IASF-Bologna hanno contribuito e continuano a contribuire in maniera rilevante all’esplorazione del cielo in raggi gamma, da ultimo con  la missione ESA INTEGRAL , l’Osservatorio Spaziale Gamma con la piu’ elevata sensibilità. Le loro ricerche spaziano dallo studio di regioni dell’universo contenenti  buchi neri piu’ o meno massicci , all’analisi dell’emissione di  stelle binarie aventi come componenti pulsar o nane bianche  e alla scoperta di oggetti mai osservati prima.

AGN e buchi neri supermassicci

La galassia attiva Centaurus A, a diverse lunghezze d’onda (raggi X, ottico e radio).

Un nucleo galattico attivo (abbreviato in AGN per Active Galactic Nucleus) è una galassia dove gran parte della sua luminosità viene emessa da una regione compatta posta al sua centro (nucleo). Questa luminosità, a seconda del tipo di galassia attiva, può essere emessa lungo tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio, infrarossi, visibili, UV, ai raggi X e gamma. Una galassia con al proprio centro un AGN si chiama galassia attiva. Molte galassie attive emettono anche getti e/o venti di materia che possono raggiungere anche velocità relativistiche e che trasportano energia verso il mezzo interstellare della galassia e/o mezzo intergalattico. I ricercatori concordano sul fatto che la radiazione emessa dagli AGN non possa che essere generata dall’accrescimento di materia su un buco nero supermassiccio nel nucleo (centro) della galassia. Gli AGN sono le sorgenti persistenti di radiazione elettromagnetica più luminose nell’universo e lo studio della loro evoluzione può fornire importanti contributi ai modelli cosmologici che cercano di spiegare la formazione ed evoluzione delle galassie.
Ricercatori presso lo IASF-Bologna studiano gli AGN nel tentativo di comprendere i meccanismi dell’accrescimento ed accelerazione di venti/getti di materia, e capirne l’impatto sulla formazione ed evoluzione delle galassie nell’universo vicino e lontano.

I Buchi neri

I buchi neri sono quei luoghi nello spazio in cui la materia risulta essere concentrata a tal punto da produrre un campo gravitazionale così intenso da fare ricadere su se stessa anche la luce che emette.
Per questo tali oggetti sono detti “neri”. Paradossalmente, però, i buchi neri sono invece noti agli astronomi come gli oggetti più luminosi dell’Universo.
Questo perché ciò che si può vedere è la materia nelle vicinanze del buco nero (e non dentro al buco nero), in particolare quella materia che, per forza di gravità, cade, ruota, accelera, ed accresce intorno al buco nero, formando un “disco di accrescimento” che spesso raggiunge altissime temperature, milioni di gradi, diventando incandescente.
Il “buco” rimane “nero”, ma subito fuori, la materia diventa luminosissima e sorgente di intensi raggi X e raggi Gamma come pochi altri oggetti nell’intero Universo. In parte questa materia viene anche espulsa formando grandi getti di materia.
In istituti come lo IASF-Bologna, astronomi progettano e costruiscono telescopi spaziali in grado di rivelare i raggi X e Gamma per essere così in grado di studiare i buchi neri, veri enigmi dell’Universo.

Oggetti compatti galattici

Per colpire la fantasia dei lettori gli autori di fantascienza ambientano le loro storie su lontani sistemi composti da due o più Soli. In realtà i sistemi composti da una sola stella, come il nostro Sistema Solare, sono l’eccezione piuttosto che la regola. I sistemi più comuni sono formati da due stelle e per questo vengono detti sistemi binari.  Quando uno dei due Soli esaurisce il proprio combustibile (prima o poi finisce anche nelle stelle!), la forza di gravità non viene più controbilanciata dalla spinta verso l’esterno dovuta alla radiazione, e la stella implode. Il risultato è un oggetto molto denso, la cui densità e dimensione dipendono da quanto grande era la stella “genitore”. Maggiore la massa del genitore, più denso sarà l’oggetto che si forma che, proprio per questo, viene detto oggetto “compatto”.

E’ facile intuire come i sistemi binari contenenti oggetti compatti, a causa delle enormi forze in gioco (la gravità ed i campi magnetici sono miliardi di volte più intensi che sulla Terra), danno origine a tutta una serie di fenomeni “esotici”: il loro campo gravitazionale è cosí intenso che strappa materia dalla stella compagna, creando una scia di materia stellare che, convogliata dal campo magnetico, va ad impattare l’oggetto compatto, dando origine ad emissione nella banda dei raggi X.

Dato che l’emissione X non può raggiungere la superficie della Terra, per la sua rilevazione bisogna portare gli strumenti al di fuori dell’atmosfera terrestre.  Per questo motivo è l’astrofisica spaziale che si occupa dello studio di questi oggetti, ed il nostro gruppo si occupa di interpretare le osservazioni  ottenute attraverso bandi internazionali), completandole con osservazioni in altre bande (ottico, IR) per risalire alle condizioni fisiche ed ai processi che avvengono in questi sistemi.

Terrestrial gamma-ray flash

I lampi gamma terrestri, o Terrestrial Gamma-ray Flash (TGF), sono violenti e rapidissimi lampi di radiazione di alta energia (raggi X e gamma, ma anche elettroni) originati dagli intensi campi elettrici nelle nubi temporalesche.

AGILE è uno dei soli tre satelliti attualmente attivi in grado di rivelare questi fenomeni dallo spazio, grazie allo strumento Mini-Calorimetro realizzato proprio a IASF Bologna e originariamente pensato per rivelare i lampi gamma di origine cosmica.

Grazie alle sue caratteristiche peculiari AGILE sta contribuendo significativamente allo studio di questi misteriosi fenomeni, in particolare riguardo  alle loro emissioni alle più alte energie, dimostrando che la scienza è sempre pronta a prendere strade inaspettate e che uno strumento pensato per studiare il cosmo può dare contributi importanti anche allo studio del nostro pianeta.