Una serie di sonde e osservatori spaziali  hanno individuato il terzo lampo gamma associato al brillamento gigante di una magnetar

13 Gennaio 2021

Era il 15 aprile di quest'anno quando Mars Odissey, in orbita intorno a Marte, ha registrato un brevissimo lampo di raggi gamma ad altissima energia. Il lampo è stato captato anche 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, denominato GRB 200415A, è durato solo 140 millisecondi, ma triangolando i dati ricevuti dai satelliti, che formano la rete Interplanetary Network, 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, 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, ideale per i lampi gamma di breve durata come questo.

«La localizzazione di questo transiente, ingrediente fondamentale per derivarne la distanza e l’energetica, è un chiaro esempio di Astronomia distribuita su cui la stessa Agenzia Spaziale Italiana sta investendo molto grazie alle osservazioni fatte con i satelliti Fermi, INTEGRAL e SWIFT, ma anche con il satellite italiano Agile - commenta Barbara Negri, responsabile dell'unità volo umano e sperimentazione scientifica dell'ASI - A questi si aggiungerà nel prossimo futuro anche il progetto Hermes Pathfinder, un unico osservatorio fatto da una costellazione di cubesat, dedicato allo studio dei fenomeni astrofisici di alta energia e di breve durata come i Gamma-Ray Bursts, le controparti elettromagnetiche di onde gravitazionali e le possibili controparti di alta energia dei Fast Radio Burst».

«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 caratterizzate da campi magnetici portentosi, circa un milione di miliardi di volte più intensi rispetto al campo magnetico terrestre. Ad oggi sono noti una trentina di oggetti del genere e le variazioni del loro enorme campo magnetico possono causare accelerazione di particelle con relativa emissione di raggi X per diverse settimane. E' noto che i rapidi rilasci di energia 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  Fermi, progettato e realizzato con un contributo decisivo dell’Italia, grazie all’ASI, all’INFN e l’INAF, un altro gruppo di ricerca ha studiato la componente più energetica della radiazione proveniente da questo brillamento e i risultati sono stati presentati oggi  in un altro articolo 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. Mentre la magnetar si muove nello spazio, la parte frontale del suo campo magnetico sbatte  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.

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