Gamma-Ray Burst, questi sconosciuti. Intervista con l'esperto

L'Universo ci parla e spetta a noi imparare ad ascoltarlo. Quando si pensa ai misteri del cosmo vengono in mente alcuni affascinanti protagonisti dell'astronomia quali i pianeti, le stelle, le galassie, i misteriosi buchi neri o, per i più sognatori e romantici, le costellazioni e le stelle cadenti. Ma esiste un fenomeno molto più misterioso e affascinante di qualsiasi buco nero, del quale non si sente parlare molto spesso. Sono i Gamma-Ray Burst.

Il 27 aprile è stata registrata una delle più intense manifestazioni mai misurate di questi fenomeni, battezzata con il nome scientifico di GRB 130427A e individuata dal lavoro congiunto di un trio di telescopi NASA e di telescopi a terra robotizzati. Ma cosa sono i Gamma-Ray Burst e perché l'evento registrato in primavera è tanto importante? Ce ne parla Carlo Luciano Bianco, ricercatore in astrofisica relativistica dell'Università di Roma "La Sapienza".

Dott. Bianco, cosa sono i Gamma Ray Burst?

I Gamma-Ray Bursts (chiamati più brevemente GRB) sono, come dice il nome, dei "lampi di raggi gamma" che si osservano in cielo. Tipicamente se ne vede in media quasi uno al giorno, ma capita che alcuni giorni se ne vedano anche due o (più raramente) tre. Hanno una durata osservata che va da pochi millisecondi fino a varie decine o anche un centinaio di secondi.

Un GRB è caratterizzato da due emissioni distinte: l'emissione  principale di raggi gamma (detta "prompt emission") che è seguita da  una seconda emissione continua (detta "afterglow") a energie  progressivamente più basse, che svanisce entro una decina di giorni passando dai raggi X alla luce visibile e alle onde radio. Proprio tale  emissione ci consente di poterli studiare in maggiore dettaglio. Gli strumenti calibrati per osservare i raggi gamma dell'emissione  principale, infatti, sono in grado di dare una stima solo approssimativa della posizione nel cielo in cui si è verificato il lampo, vista la sua estrema brevità. Ci sarebbe quindi molto difficile identificare con precisione la posizione del GRB basandoci solo su questo rilevamento fatto in pochi secondi. Invece, grazie alla presenza dell'afterglow, abbiamo tutto il tempo di andare a cercare il GRB investigando nello spettro dei raggi X e nella luce visibile.

In che modo è possibile misurarli?

I raggi gamma sono (per nostra fortuna!) bloccati dall'atmosfera  terrestre. Quindi, l'unico modo per poter osservare un GRB è con strumenti appositi montati su satelliti in orbita. Una volta segnalato un GRB e calcolata la sua posizione approssimativa grazie alla  componente nei raggi X dell'afterglow, la ricerca nello spettro della  luce visibile viene fatta anche e soprattutto da terra con i normali  telescopi. 

Proprio le osservazioni con i telescopi a terra sono fondamentali. Grazie a esse, infatti, è possibile calcolare la distanza che ci separa dalla sorgente del GRB osservando lo spostamento verso il rosso delle  righe spettrali (fenomeno noto come "red-shift"). 

Purtroppo non sempre è possibile misurare tali righe spettrali. In tal  caso, se la posizione da cui proviene la luce visibile emessa dal GRB coincide con quella di una galassia, si identifica tale galassia come  il luogo in cui il GRB è esploso ("galassia ospite"), si misura la sua  distanza da noi e la si considera come la distanza della sorgente del  GRB. Purtroppo, in questi casi è sempre possibile (anche se poco probabile) che quella galassia che abbiamo assunto essere la galassia  ospite non sia coinvolta con il GRB, ma sia solo capitata per caso lungo  la linea di vista dell'evento.  

Perché il loro studio è così importante in astrofisica  relativistica?

Perché la loro luminosità (cioè l'energia che emettono nell'unità di tempo) è assolutamente incredibile: sono in assoluto gli oggetti più luminosi dell'intero universo. 

Per fare un esempio, l'energia che un GRB emette in pochi secondi è cento miliardi di miliardi di volte maggiore dell'energia emessa dal sole in un secondo. Spostandoci su scale astronomiche, se consideriamo tutte le cento miliardi di stelle che compongono una galassia, per ottenere la luminosità di un singolo evento GRB sarebbe necessario sommare le luminosità di un miliardo di galassie tutte insieme.

In altre parole, se potessimo per assurdo "uscire" fuori dall'universo e guardarlo dall'esterno, nel momento in cui scoppia un GRB vedremmo che in quei pochi secondi emette più energia lui nei raggi gamma che tutto il resto dell'universo in tutte le possibili bande della radiazione elettromagnetica (raggi gamma, raggi-x, luce visibile, onde  radio, ecc.) messe insieme!

Un rilascio così rapido di una così elevata quantità di energia implica che durante l'esplosione di un GRB sono all'opera processi fisici in regimi mai esplorati prima, e soprattutto ben difficilmente esplorabili in un laboratorio sulla Terra. Per questo il loro studio è così importante.  

Quale origine viene attribuita ai Gamma-Ray Burst dalle attuali teorie?

In molti casi l'esplosione di un GRB è stata vista in associazione a  quella di una supernova (anche se purtroppo sono ancora pochi i GRB  sufficientemente vicini da permettere di vedere una eventuale supernova associata).

L'emissione del GRB è comunemente attribuita al momento di formazione di un buco nero, il quale può formarsi in seguito all'esplosione della supernova associata o in seguito alla fusione ("merging") di due oggetti in un sistema binario. I dettagli dei processi fisici coinvolti sono tuttora oggetto di studio.  

Qual è il coinvolgimento del nostro Paese nello studio dei Gamma-Ray Burst?   

Il coinvolgimento dell'Italia è stato ed è fondamentale. La scoperta forse più importante sui GRB, cioè l'esistenza dell'afterglow, che ha aperto la porta a tutti i successivi studi, è stata resa possibile nel 1997 proprio da un piccolo satellite italo-olandese: il "Satellite per Astronomia X" (SAX), chiamato "BeppoSAX" in onore di Giuseppe "Beppo" Occhialini. È stato BeppoSAX, grazie alla sua capacità di identificare il GRB nei raggi gamma e puntarlo entro poche ore con strumenti sensibili ai raggi X, a scoprire l'esistenza dell'afterglow nei raggi X il 28 febbraio 1997. 

Questa è ormai storia, ma ovviamente il coinvolgimento è proseguito in tutti gli anni a venire. 

Un altro satellite che ha dato un contributo fondamentale allo studio dei GRB, lanciato nel 2004 e ancora in funzione, è il satellite "Swift"  frutto di una collaborazione tra USA, UK e Italia. 

Nel 2007 è stato lanciato il satellite "AGILE", interamente italiano, che sta dando un contributo fondamentale allo studio dei GRB ma che ha anche rivoluzionato le nostre conoscenze sulla emissione della pulsar  della nebulosa del granchio. 

Nel 2008 è stato lanciato il satellite "Fermi", così chiamato in onore del fisico Enrico Fermi, frutto di una collaborazione tra USA, Francia, Svezia, Giappone e Italia, che sta dando un contributo essenziale alla comprensione di questi fenomeni.

Tutto questo, ovviamente, senza dimenticare tutto il personale italiano che lavora, sia in Italia che nei Paesi partner, al supporto di queste missioni spaziali, rendendo possibile a tutta la comunità scientifica l'accesso ai dati osservativi, e all'interpretazione teorica degli stessi.   

Il Gamma-Ray Burst rilevato in primavera è uno dei più intensi mai registrati. Cosa ci ha permesso di imparare in più su questo fenomeno?

Non userei il passato, ma il presente: "cosa ci sta permettendo di imparare". Infatti un GRB così luminoso e così vicino ci ha permesso di acquisire una enorme quantità di dati, cosa che non accade così di  frequente. L'analisi e lo studio dei dati è tuttora in corso, e andrà avanti ancora per parecchi mesi come minimo. Tirare conclusioni ora è prematuro, ma i dati di questo GRB ci stanno permettendo di indagare in modo molto più dettagliato i processi fisici che avvengono durante la manifestazione di questi fenomeni.  

Il ricercatore

Carlo Luciano Bianco è nato nel 1977 a Roma, ha conseguito il dottorato di ricerca in Fisica nel 2004 e dal 2005 fa parte dello staff dell'ICRA (International Center for Relativistic Astrophysics) presso il Dipartimendo di Fisica dell'Università di Roma "La Sapienza". Il suo ramo di studi comprende i Gamma-Ray Burst, l'astrofisica relativistica e la cosmologia, sui quali ha scritto diversi articoli pubblicati su riviste specialistiche internazionali.