Il 15 aprile 2020, una serie di sonde spaziali in diversi luoghi del Sistema solare registrano un brevissimo lampo di raggi gamma ad altissima energia. La prima a rivelare il segnale è Mars Odissey, in orbita intorno a Marte, seguita pochi minuti dopo da Wind, una sonda che si trova tra la Terra e il Sole, dagli osservatori di raggi gamma INTEGRAL e Fermi e da Swift, telescopio spaziale per lo studio dei raggi X, tutti e tre in orbita intorno alla Terra, e anche da ASIM, un esperimento europeo a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
Il lampo è durato solo 140 millisecondi, poco più di un decimo di secondo, ma triangolando i dati ricevuti dai molteplici satelliti, che formano una rete chiamata Interplanetary Network, e i rispettivi ritardi, è stato possibile risalire rapidamente alla sorgente che ha prodotto il segnale in raggi gamma nel cielo.
“Dopo circa sette ore, grazie all’Interplanetary Network, questo evento transiente è stato associato a un intenso e breve brillamento di una magnetar in NGC 253, più nota come la galassia dello Scultore, che dista dalla Terra circa 11,5 milioni di anni luce”, spiega Pietro Ubertini dell’INAF di Roma, co-autore di uno dei due articoli pubblicati oggi sulla rivista Nature e Principal Investigator dello strumento IBIS a bordo del satellite INTEGRAL dell’ESA.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato il rivelatore PiCsIT (Pixellated Imaging Caesium Iodide Telescope) dello strumento IBIS, ideato e realizzato in Italia con il coordinamento dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), per studiare l’evoluzione temporale del lampo. Questo rivelatore, in grado di captare fotoni con energie comprese tra 250 keV e 2 MeV, ovvero tra 100mila e un milione di volte più energetici di quelli della luce visibile, ha una risoluzione temporale di 7,8 millisecondi che lo rende un “cacciatore ideale” per i lampi gamma di breve durata come questo.
“Il rivelatore PiCsIT ha di fatto permesso di rivelare il debole segnale emesso da questa galassia, di ottenere una ottima localizzazione dell’evento e di studiarne le caratteristiche energetiche”, continua Ubertini. “Basti pensare che l’enorme emissione iniziale è durata solamente 4 millesimi di secondo, ma sufficiente da essere catturata da INTEGRAL e quindi associare la direzione di arrivo alla magnetar della galassia dello Scultore”.
Le magnetar sono stelle di neutroni – quel che resta di stelle poco più massicce del Sole, giunte alla fine del loro ciclo evolutivo – caratterizzate da campi magnetici portentosi, circa un milione di miliardi di volte più intensi rispetto al campo magnetico terrestre. Se ne conoscono una trentina, e le variazioni del loro enorme campo magnetico possono causare accelerazione di particelle con relativa emissione di raggi X per diverse settimane. Rilasci di energia rapidi e intensi come questo – detti superflare, o brillamenti giganti, ed equivalenti a circa 100mila volte l’energia rilasciata dal Sole in un anno – sono molto rari anche per una magnetar. Infatti questo lampo gamma è solo il terzo finora ad essere associato al brillamento gigante di una magnetar, grazie alla rivelazione di oscillazioni quasi periodiche nel dati dello strumento ASIM.
“Queste caratteristiche rendono i lampi gamma da brillamenti giganti da magnetar del tutto simili agli short gamma-ray burst recentemente identificati come il risultato della fusione di due stelle di neutroni e accompagnati da emissione di onde gravitazionali”, aggiunge Angela Bazzano dell’INAF di Roma, co-autrice dell’articolo pubblicato su Nature. “In questo caso, una rilevazione di potenziali onde gravitazionali associate all’evento non è stata possibile, poiché gli interferometri LIGO e Virgo non erano operativi quando è stato registrato il lampo gamma. Quando questi esperimenti torneranno in funzione, sarà possibile effettuare osservazioni contemporanee, nel contesto dell’astronomia multimessaggera, per comprendere ancora meglio questi oggetti, tra i più massivi e compatti che popolano il nostro universo”.
Analizzando i dati dello strumento LAT (Large Area Telescope) a bordo del satellite NASA Fermi, progettato e realizzato con un contributo decisivo dell’Italia, grazie all’Agenzia Spaziale Italiana, all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e l’Istituto Nazionale di Astrofisica, un altro gruppo di ricerca ha studiato la componente più energetica della radiazione proveniente da questo brillamento, presentando i risultati in un altro articolo apparso oggi sulla rivista Nature Astronomy. Si tratta di tre fotoni con energia pari a 480 MeV, 1,3 e 1,7 GeV, ricevuti con un certo ritardo – tra 19 secondi e 4,7 minuti rispetto all’emissione iniziale – ma comunque associati allo stesso evento.
“Si tratta dell’unica magnetar che è stata capace di produrre, durante il superflare, tre fotoni gamma di alta energia registrati da Fermi LAT”, afferma Patrizia Caraveo, responsabile INAF per Fermi LAT e co-autrice dell’articolo. “Tre fotoni possono sembrare pochi, ma la posizione ricostruita per ciascuno di loro è compatibile con la galassia e quindi l’associazione è abbastanza convincente da porre interrogativi sul meccanismo di emissione capace di produrre fotoni così energetici nella magnetosfera di una magnetar (o forse lì vicino, visto che i campi magnetici così intensi costringono i raggi gamma a trasformarsi in una coppia elettrone positrone ed è quindi necessario allontanarsi un po’ per incontrare campi magnetici meno intensi). È il caso di dire pochi ma buoni”.
Queste informazioni hanno permesso di ricostruire la geometria dell’evento, non dissimile dal “siluro fotonico” della serie di fantascienza Star Trek. Mentre la magnetar si muove nello spazio, la parte frontale del suo campo magnetico va a sbattere contro il gas interstellare, che viene rallentato e si accumula, formando un’onda d’urto. Quando la radiazione e le altre particelle energetiche del brillamento rilasciato dalla magnetar raggiungono questa onda d’urto, la radiazione passa per prima, dando origine alla prima parte del lampo gamma ricevuto dai diversi satelliti; pochi secondi dopo, le particelle si scontrano con il gas nell’onda d’urto e vengono accelerate da questa interazione, producendo i raggi gamma a più alta energia registrati poco dopo da Fermi LAT.
Gli studi sono stati pubblicati oggi sul sito web della rivista Nature nei due articoli A bright γ-ray flare interpreted as a giant magnetar flare in NGC 253 di D. Svinkin, D. Frederiks, K. Hurley, R. Aptekar, S. Golenetskii, A. Lysenko, A. V. Ridnaia, A. Tsvetkova, M. Ulanov, T. L. Cline, I. Mitrofanov, D. Golovin, A. Kozyrev, M. Litvak, A. Sanin, A. Goldstein, M. S. Briggs, C. Wilson-Hodge, A. von Kienlin, X.-L. Zhang, A. Rau, V. Savchenko, E. Bozzo, C. Ferrigno, P. Ubertini, A. Bazzano, J. C. Rodi, S. Barthelmy, J. Cummings, H. Krimm, D. M. Palmer, W. Boynton, C. W. Fellows, K. P. Harshman, H. Enos e R. Starr; e sul sito web della rivista Nature Astronomy nell’articolo High-Energy Emission from a Magnetar Giant Flare in the Sculptor Galaxy di The Fermi LAT collaboration: M. Ajello, W. B. Atwoo, M. Axelsson, L. Baldini, G. Barbiellini, M. G. Baring, D. Bastieri, R. Bellazzini, A. Berretta, E. Bissald, R. D. Blandford, R. Bonino, J. Bregeon, P. Bruel, R. Buehler, E. Burns, S. Buson, R. A. Cameron, P. A. Caraveo, E. Cavazzuti, S. Chen, C. C. Cheung, G. Chiaro, S. Ciprini, D. Costantin, M. Crnogorcevic, S. Cutini, F. D’Ammando, P. de la Torre Luque, F. de Palma, S. W. Digel, N. Di Lalla, L. Di Venere, F. Fana Dirirsa, Y. Fukazawa, S. Funk, P. Fusco, F. Gargano, N. Giglietto, R. Gill, F. Giordano, M. Giroletti, J. Granot, D. Green, I. A. Grenier, S. Griffin, S. Guiriec, E. Hays, D. Horan, G. Jóhannesson, M. Kerr, M. Kovačević, M. Kuss, S. Larsson, L. Latronico, J. Li, F. Longo, F. Loparco, M. N. Lovellette, P. Lubrano, S. Maldera, A. Manfreda, G. Martí-Devesa, M. N. Mazziotta, J. E. McEnery, I.Mereu, P. F. Michelson, T. Mizuno, M. E. Monzani, A. Morselli, I. V. Moskalenko, M. Negro, N. Omodei, M. Orienti, E. Orlando, V. S. Paliya, D. Paneque, Z. Pei, M. Pesce-Rollins, F. Piron, H. Poon, T. A. Porter, G. Principe, J. L. Racusin, S. Rainò, R. Rando, B. Rani, S. Razzaque, A. Reimer, O. Reimer, P. M. Saz Parkinson, J. D. Scargle, L. Scotton, D. Serini, C. Sgrò, E. J. Siskind, G. Spandre, P. Spinelli, H. Tajima, M. N. Takahashi, D. Tak, D. F. Torres, G. Tosti, E. Troja, Z. Wadiasingh, K. Wood, M. Yassine, A. Yusafzai, G. Zaharijas
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