Lampi gamma: la durata non è tutto

Nonostante gli enormi sforzi osservativi, ci sono voluti ben trent’anni dalla loro scoperta negli anni ’60 per svelare l’origine cosmologica dei Grb, lampi di fotoni X/gamma rilevati circa una volta al giorno da direzioni casuali e così intensi da oscurare qualsiasi altra sorgente nel cielo ad alte energie

Nonostante gli enormi sforzi osservativi, ci sono voluti ben trent’anni dalla loro scoperta negli anni ’60 per svelare l’origine cosmologica dei Grb, lampi di fotoni X/gamma rilevati circa una volta al giorno da direzioni casuali e così intensi da oscurare qualsiasi altra sorgente nel cielo ad alte energie. Sono stati poi necessari ulteriori vent’anni di sforzi da parte di molti telescopi spaziali e terrestri, oltre a un intenso lavoro teorico e a sofisticatissime simulazioni numeriche, per costruire e consolidare lo scenario attuale per i loro progenitori: collasso del nucleo di peculiari stelle molto massicce per quelli più lunghi e coalescenza di un sistema binario formato da due stelle di neutroni o da una stella di neutroni e un buco nero per quelli più brevi.
In questo contesto, risulta apparentemente spiazzante la scoperta, riportata nel numero odierno di Nature Astronomy, di Tomàs Ahumada, Bin-Bin Zhang e i loro collaboratori, dell’associazione di un Grb breve con un’esplosione stellare. Dobbiamo dunque riconsiderare il nostro paradigma principale sui Grb? Per capirlo, facciamo qualche passo indietro.
La crescente evidenza dell’esistenza di due classi principali di Grb – i brevi (da poche decine di millisecondi fino a 1-2 secondi) e i lunghi (tipicamente, da qualche secondo a qualche minuto) –, basata sulla distribuzione bi-modale delle durate di questi eventi, è stato uno dei primi sostanziali progressi nella nostra comprensione di questi eccezionali ma elusivi fenomeni. Un ulteriore importantissimo passo avanti in questo campo di studio si è verificato verso la fine degli anni ’90, quando le prime localizzazioni sistematiche con la precisione di qualche minuto d’arco permisero di scoprire che i lampi lunghi sono seguiti da un’emissione più debole, detta afterglow, che decade all’incirca secondo una legge di potenza ed è osservabile dai raggi X fino alle onde radio. La localizzazione fino a pochi secondi d’arco e la spettroscopia dell’emissione di afterglow nell’ottico e nel vicino infrarosso da parte di grandi telescopi terrestri e di Hst portarono alla conferma che questi eventi arrivano da distanze cosmologiche (almeno fino a redshift di circa 9-10, ovvero poche centinaia di milioni di anni dal “Big-Bang”), nonché alle prime identificazioni e caratterizzazioni delle loro galassie ospiti, fino alla rivelazione diretta di una peculiare supernova (Sn) di tipo Ib/c associata al Grb 980425.
Questa impressionante ricchezza di scoperte fornì un forte supporto all’ipotesi che i Grb lunghi siano prodotti dal collasso del nucleo di peculiari stelle massicce, uno scenario già postulato negli anni ’70, in grado di spiegare la lunga durata e l’altissima energia irradiata (fino ad almeno 1053 erg, ovvero circa quanto una stella come il Sole irradia in 10 miliardi di anni). Questo scenario è stato poi ulteriormente rafforzato negli ultimi vent’anni dalla rilevazione, negli eventi vicini, di emissione ottico-infrarossa con caratteristiche spettrali simili a quelle di Sn 1998bw o, più in generale, tipiche di supernove di tipo Ib/c, sovrapposta alla tipica curve di luce dell’afterglow. Altre prove a sostegno di questa origine per i Grb lunghi includono la loro tipica posizione in regioni di formazione stellare nelle loro galassie ospiti, l’evidenza di un ambiente circum-burst arricchito di metalli e la loro distribuzione in redshift, che segue approssimativamente quella del tasso di formazione stellare nell’universo.
D’altro canto, dai primi anni 2000, abbiamo iniziato a rivelare e caratterizzare anche l’emissione di afterglow dei Grb corti, imparando che la distribuzione in redshift di questi eventi si estende fino a valori molto più bassi di quella dei lunghi e non mostra alcuna relazione con l’evoluzione del tasso di formazione stellare nell’universo, che la loro tipica energia rilasciata è di circa due ordini di grandezza inferiore e che spesso si trovano nelle regioni più esterne delle loro galassie ospiti, senza alcuna associazione con le regioni di formazione stellare. Insieme alla loro durata, queste proprietà hanno supportato sempre di più l’ipotesi che i Grb corti siano originati dalla fusione di sistemi binari costituiti da due stelle di neutroni (Ns-Ns) o da una stella di neutroni e un buco nero (Ns-Bh). Questo scenario è stato infine confermato in modo diretto e spettacolare dalla storica rivelazione di un lampo gamma breve (Grb 170817A) associato al primo segnale di onde gravitazionali prodotto dalla coalescenza di un sistema binario di stelle di neutroni (Gw 170817) mai rivelato (da Ligo/Virgo).
Le osservazioni e le analisi riportate oggi da Ahumada et al. e Zhang et al. su Nature Astronomy sembrano, però, mettere in crisi questo scenario standard sui progenitori dei Grb. Per la prima volta, infatti, è stato rivelato anche per un lampo gamma breve (Grb 200826A) un eccesso rispetto alla normale emissione di afterglow nell’ottico e vicino infrarosso, eccesso che mostra le tipiche proprietà fotometriche e di evoluzione temporale delle supernove associate ai Grb lunghi. A prima vista, questo risultato mette chiaramente in discussione la nostra attuale comprensione del fenomeno Grb. Tuttavia, una visione più globale delle sue proprietà, combinata con diverse ulteriori evidenze emerse negli ultimi anni, mostrano che questo evento, sebbene peculiare e di grande interesse, potrebbe non essere poi così “speciale”.
Prima di tutto, la durata di circa 1 secondo, pur rendendo Grb 200826A di gran lunga il più corto tra i lampi gamma con evidenza di associazione di una supernova, rientra nell’intervallo in cui le distribuzioni di durata dei Grb brevi e lunghi si sovrappongono ancora, rendendo potenzialmente questo un evento estremo nella coda di breve durata della distribuzione delle durate dei Grb lunghi. La posizione nel piano durezza spettrale vs. durata supporta ulteriormente una classificazione di questo evento come Grb “breve”, ma la probabilità che Grb 200826A appartenga in realtà alla classe dei “lunghi” non è trascurabile, come riportato dagli stessi Ahuamada et al. e Zhang et al. Inoltre, considerazioni teoriche e simulazioni numeriche mostrano che la durata di un Grb prodotto dal collasso del nucleo di una stella super-massiccia, che dipende sia dal tempo durante il quale il “motore centrale” (ad esempio, un buco nero in accrescimento) è al lavoro che dal tempo impiegato dal getto relativistico che poi produce il lampo ad uscire dall’involucro stellare, può essere anche più breve di 0,5 secondi.
Ecco perché, in realtà, la durata è sempre più considerata solo uno degli indicatori dell’origine di un Grb. Tant’è che, sempre più frequentemente, anziché di Grb “lunghi” o “corti”, si parla di eventi di “Tipo I”, quelli prodotti dalla coalescenza di sistemi binari Ns-Ns o Ns-Bh, e di lampi di “Tipo II”, ovvero i lampi prodotti dal core-collapse di stelle super-massicce. Oltre alla durata, durezza spettrale, localizzazione nella galassia ospite e proprietà della galassia ospite, gli indicatori utilizzati per discriminare queste due classi di eventi includono il time-lag, ovvero il ritardo del picco di emissione in funzione della banda energetica, e la relazione tra l’energia del fotone alla quale si ha il picco dello spettro di energia del Grb (energia di picco, o Ep,i) e l’energia irradiata isotropa equivalente (Eiso). L’analisi di questi indicatori per Grb 200826A mostra che, nonostante la sua brevissima durata, esso appartiene in realtà alla classe di Tipo II. Quindi, l’associazione di questo evento con una supernova di tipo Ib/c non è più sorprendente, ma, invece, fornisce una forte conferma dell’efficienza del nuovo paradigma per identificare il progenitore di un Grb. Sotto questo aspetto, peraltro, Grb 200826A è il caso opposto di un altro evento famoso e impegnativo, Grb 060614, che era un Grb tecnicamente “lungo” (durata di diverse decine di secondi) per il quale c’era una forte evidenza di nessuna associazione con una supernova. Anche in quel caso è stato grazie ad indicatori diversi dalla durata, ad esempio time-lag e collocazione nel piano Ep,i vs. Eiso, che è stato possibile superare l’apparente paradosso e classificare l’evento come lampo gamma di Tipo I.
La sensibilità estesa e la banda di energia dei rilevatori Grb di prossima generazione (ad esempio, quelli a bordo della missione franco-cinese Svom, che sarà lanciata il prossimo anno), combinata con migliori capacità di follow-up fornite da futuri osservatori (ad esempio, Elt o Tmt nell’ottico/infrarosso, Ska nel radio, Athena nell’X, Cta alle altissime energie), consentiranno di andare definitivamente oltre la classificazione dei Grb basata sulla durata e probabilmente di individuare una più ricca varietà di progenitori, tra cui stelle di neutroni estremamente magnetizzate (magnetar) e la possibile connessione con le sorgenti di Fast Radio Burst (Frb) per i Grb brevi, e diversi tipi di stelle progenitrici (eventualmente comprese quelle di popolazione-III) e di meccanismi esplosivi (core-collapse, instabilità di coppia) per quelli lunghi. Una migliore comprensione delle sottoclassi e dei progenitori dei Grb è anche cruciale per la crescente rilevanza degli eventi di Tipo II per la cosmologia (studio dell’universo primordiale e dei parametri cosmologici) e di quelli di Tipo I per l’astrofisica multi-messaggero (come dimostrato dallo straordinario caso di Gw 170817 / Grb 170817A).
Per saperne di più:
Leggi su Nature Astronomy l’articolo “To be short or long is not the question”, di Lorenzo Amati
Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Discovery and confirmation of the shortest gamma-ray burst from a collapsar”, di Tomás Ahumada et al.
Leggi su Nature Astronomy l’articolo “A peculiarly short-duration gamma-ray burst from massive star core collapse”, di B.-B. Zhang et al.
Foto e Notizie: Ufficio Stampa INAF

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