Mentre studiavano le conseguenze di un lungo lampo di raggi gamma (GRB), team indipendenti di astronomi che utilizzano una serie di telescopi nello spazio e sulla Terra, tra cui il telescopio Gemini North alle Hawaii e il telescopio Gemini South in Cile, hanno scoperto le caratteristiche inaspettate di una kilonova, la colossale esplosione innescata dalla collisione di stelle di neutroni. Questa scoperta sfida la teoria prevalente secondo cui i GRB lunghi provengono esclusivamente da supernove, le esplosioni di fine vita di stelle massicce.
I lampi di raggi gamma (GRB) – le esplosioni più energetiche nell’Universo – sono disponibili in due varietà, lunghi e brevi. I GRB lunghi, che durano da un paio di secondi a un minuto, si formano quando una stella di almeno 10 volte la massa del nostro Sole esplode come una supernova. I GRB brevi, che durano meno di due secondi, si verificano quando due oggetti compatti, come due stelle di neutroni o una stella di neutroni e un buco nero, si scontrano per formare una kilonova.
Osservando le conseguenze di un GRB lungo rilevato nel 2021, due team indipendenti di astronomi hanno trovato i segni sorprendenti di una fusione di stelle di neutroni, piuttosto che il segnale previsto di una supernova. Questo sorprendente risultato segna la prima volta che una kilonova è stata associata a un GRB lungo e sfida la nostra comprensione di queste esplosioni straordinariamente potenti.
Lo studio di Jillian Rastinejad
Il primo team ad annunciare questa scoperta è stato guidato da Jillian Rastinejad, una studentessa di dottorato presso la Northwestern University. Rastinejad e colleghi hanno fatto questa sorprendente scoperta con l’aiuto di Gemini North, parte dell’Osservatorio internazionale Gemini, gestito dal NOIRLab della NSF. Le osservazioni di Gemini North hanno rivelato un bagliore rivelatore nel vicino infrarosso nella posizione precisa del GRB, fornendo la prima prova convincente di una kilonova associata a questo evento. Il team di Rastinejad ha prontamente segnalato il rilevamento di Gemini in una Gamma-ray Coordinates Network (GCN) Circular.
Gli astronomi di tutto il mondo sono stati avvisati per la prima volta di questo lampo, chiamato GRB 211211A, quando un potente lampo di raggi gamma è stato rilevato dal Neil Gehrels Swift Observatory e dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi. Le osservazioni iniziali hanno rivelato che il GRB era insolitamente vicino, a solo un miliardo di anni luce dalla Terra.
La maggior parte dei GRB ha origine nel lontano Universo primordiale. In genere, questi oggetti sono così antichi e lontani che la loro luce avrebbe dovuto viaggiare per più di sei miliardi di anni per raggiungere la Terra. La luce del GRB più lontano mai registrato ha viaggiato per quasi 13 miliardi di anni prima di essere rilevata qui sulla Terra. La relativa vicinanza di questo GRB appena scoperto ha consentito agli astronomi di effettuare studi di follow-up notevolmente dettagliati con una varietà di telescopi terrestri e spaziali.
“Gli astronomi di solito indagano sui GRB brevi quando vanno a caccia di kilonovae“, ha detto Rastinejad. “Siamo stati attratti da questa esplosione di maggiore durata perché era così vicina che potevamo studiarla in dettaglio. I suoi raggi gamma assomigliavano anche a quelli di un precedente, misterioso GRB lungo senza supernova”.
Una firma osservativa unica delle kilonovae è la loro luminosità a lunghezze d’onda del vicino infrarosso rispetto alla loro luminosità nella luce visibile. Questa differenza di luminosità è dovuta agli elementi pesanti espulsi dalla kilonova, che bloccano efficacemente la luce visibile ma consentono alla luce infrarossa di lunghezza d’onda maggiore di passare senza ostacoli. L’osservazione nel vicino infrarosso, tuttavia, è tecnicamente impegnativa e solo una manciata di telescopi sulla Terra, come i telescopi gemelli Gemini, sono abbastanza sensibili da rilevare questa kilonova a queste lunghezze d’onda.
“Grazie alla sua sensibilità e alla nostra risposta rapida, Gemini è stato il primo a rilevare questa kilonova nel vicino infrarosso, convincendoci che stavamo osservando una fusione di stelle di neutroni”, ha detto Rastinejad. “Le capacità e la varietà di strumenti di Gemini ci consentono di adattare il piano di osservazione di ogni notte in base ai risultati della notte precedente, permettendoci di sfruttare al meglio ogni minuto in cui il nostro obiettivo era osservabile”.
Altri studi, stessa conclusione
Un altro team, guidato da Eleonora Troja, astronoma dell’Università di Roma Tor Vergata, ha studiato in modo indipendente il bagliore residuo utilizzando una serie diversa di osservazioni, tra cui il telescopio Gemini South in Cile, e ha concluso in modo indipendente che il GRB lungo proveniva da una kilonova. “Siamo stati in grado di osservare questo evento solo perché era così vicino a noi“, ha detto Troja. “È molto raro osservare esplosioni così potenti nel nostro giardino cosmico, e ogni volta che lo facciamo veniamo a conoscenza degli oggetti più estremi dell’Universo“.
Il fatto che due diversi team di scienziati che lavorano con set di dati indipendenti siano entrambi giunti alla stessa conclusione sulla natura kilonova di questo GRB fornisce fiducia in questa interpretazione. “L’interpretazione della kilonova era così lontana da tutto ciò che sapevamo sui GRB lunghi che non potevamo credere ai nostri occhi e abbiamo passato mesi a testare tutte le altre possibilità”, ha detto Troja. “È solo dopo aver escluso tutto il resto che ci siamo resi conto che il nostro paradigma decennale doveva essere rivisto”.
In un altro studio, Bin-Bin Zhang e colleghi hanno notato che l’esplosione stessa è troppo lunga per essere inclusa nella popolazione GRB breve e hanno suggerito un nuovo progenitore di questa esplosione per tenere conto sia delle emissioni di raggi gamma che della kilonova. Inoltre, in un altro studio, Alessio Mei e colleghi riportano emissioni di raggi gamma ad alta energia che iniziano circa 16 minuti dopo il GRB e durano più di 5 ore, che propongono siano prodotte da fotoni rilasciati da una kilonova.
Ancora, Benjamin Gompertz e collaboratori hanno scoperto che la radiazione ad alta energia del lampo di raggi gamma GRB 211211A è coerente con uno scenario guidato dalla fusione. Hanno utilizzato più strumenti sul telescopio spaziale a raggi gamma Fermi e sul Neil Gehrels Swift Observatory per osservare l’evento per un periodo di 5 minuti, scoprendo che l’emissione ad alta energia è generata da elettroni che si muovono vicino alla velocità della luce. Secondo una possibile spiegazione, questi elettroni relativistici potrebbero essere stati accelerati in un lusso dal “protomagnetar” creato durante il processo di fusione.
Elementi pesanti
Oltre a contribuire alla nostra comprensione delle kilonovae e dei GRB, questa scoperta fornisce agli astronomi un nuovo modo di studiare la formazione dell’oro e di altri elementi pesanti nell’Universo. Le condizioni fisiche estreme nelle kilonovae producono elementi pesanti come oro, platino e torio. Gli astronomi possono ora identificare i siti che stanno creando elementi pesanti cercando la firma di una kilonova a seguito di un lampo di raggi gamma di lunga durata.
“Questa scoperta è un chiaro promemoria del fatto che l’Universo non è mai stato completamente compreso“, ha detto Rastinejad. “Gli astronomi spesso danno per scontato che le origini dei GRB possano essere identificate dalla loro lunghezza, ma questa scoperta ci mostra che c’è ancora molto da capire su questi incredibili eventi”.
