L’energia dell’Universo racchiusa nelle magnetar

RICERCANDO ALL’ESTERO – Alcune settimane fa abbiamo parlato con Luca Izzo di gamma-ray burst (GRB), i fenomeni energetici più potenti dell’Universo, nella banda elettromagnetica, la cui origine non è ancora certa. Qui l’articolo con l’intervista.
Oggi ritorniamo sull’argomento con Maria Grazia Bernardini, ricercatrice del Laboratoire Univers et Particules di Montpellier che si occupa di studiare i GRB sia dal punto di vista delle osservazioni sia dell’analisi dei dati, la loro modellizzazione e interpretazione.

Come abbiamo visto, ci sono principalmente due ipotesi sull’origine dei gamma-ray burst: il collasso di una stella molto massiccia oppure l’unione di due oggetti molto compatti come due stelle di neutroni o una stella di neutroni e un buco nero. I GRB lunghi sembrano essere associati al collasso di una stella molto massiccia mentre i GRB corti al merging di due oggetti molto compatti: in generale, il risultato può essere la nascita di una stella a neutroni o di un buco nero.

È possibile distinguere tra questi due scenari?
Non esistono osservazioni dirette del motore centrale dei GRB, cioè dell’origine tutta questa energia, e per ora possiamo solo fare ipotesi basandoci su prove o segnali indiretti.

Fino a poco tempo fa, la nascita di un buco nero sembrava essere la teoria più plausibile; tuttavia le recenti osservazioni del telescopio Swift hanno posto nuove domande che il buco nero da solo non è in grado di spiegare. Tra queste c’è la presenza di un appiattimento della curva di luce dei GRB durante la sua evoluzione temporale nei raggi X: questo decadimento si discosta dalla semplice legge di potenza prevista dai modelli standard e rafforza l’idea che il motore centrale non si spegne subito dopo l’evento principale ma continua a fornire energia anche per diverse ore successive.

Da qui è nata l’idea che la sorgente dei GRB potesse essere una magnetar. Si tratta di un tipo di stella a neutroni con un intensissimo campo magnetico, molto maggiore rispetto alle stelle di neutroni normali, e con una velocità di rotazione piuttosto alta (1 msec circa). Per le sue caratteristiche ci si aspetta che continui a vivere per ore dopo la sua formazione e la sua energia rotazionale potrebbe alimentare l’emissione del GRB.
Ho cercato in tutte le curve di luce in banda X di Swift l’evidenza di un appiattimento e l’ho analizzato per ricavare dati caratteristici sulla magnetar: dai nostri risultati sembra che questo tipo di stelle possa effettivamente competere con i buchi neri come motore centrale per l’origine dei GRB.

Le magnetar possono funzionare sia per i GRB lunghi sia per quelli corti?
Dai dati raccolti sembra di sì, ovviamente nel caso della coalescenza tra due oggetti compatti l’ipotesi è valida solo se si tratta di due stelle a neutroni. La formazione di una magnetar spiegherebbe perché da progenitori diversi che evolvono in ambienti diversi si originano due famiglie di GRB (lunghi e corti) con caratteristiche molto simili.

In maniera indipendente abbiamo anche studiato la presenza di episodi di emissione precedenti al GRB. Normalmente quando esplode un GRB si vede un flash di radiazione ad alte energie (detto prompt emission); in alcuni casi, il flash principale viene anticipato da una piccola emissione proveniente dalla stessa sorgente. L’idea che si possa accendere e spegnere il GRB a proprio piacimento è una cosa molto complessa dal punto di vista della modellizzazione del motore centrale. Questa emissione intermittente può essere spiegata con la magnetar se si considera il flash iniziale come la fase di accrescimento e la quiete come conseguenza della forza centrifuga sulla materia circostante. Quando la pressione supera la forza centrifuga, si ha emissione di energia.

C’è differenza nel flash iniziale dei GRB lunghi e corti?
I meccanismi della prompt emission non sono ancora del tutto compresi, anzi dai dati del satellite Fermi sappiamo essere molto diversi da quello che ci si aspettava.

Per capire se c’è differenza nelle due famiglie di GRB, ho iniziato a studiare una particolare caratteristica di questi flash detta spectral lag: si tratta di un ritardo sistematico dei fotoni a bassa energia rispetto a quelli ad alta energia, che si osserva tendenzialmente in tutti i GRB purtroppo in maniera non prevedibile. Dai primi dati sembra che la distribuzione del spectral lag sia diversa per i GRB lunghi e quelli corti; tuttavia il basso numero di GRB corti studiati (ndr n=6 contro n=50 per i GRB lunghi) non ci permette di considerare significativa la correlazione tra distribuzione temporale e famiglia di GRB. Stiamo mettendo a punto un nuovo modello analitico in grado di descrivere e predire meglio questo ritardo e i risultati preliminari sembrano molto promettenti.

L’agenzia spaziale francese sta preparando una nuova missione per studiare i GRB e il tuo laboratorio è coinvolto nel progetto. Di che cosa si tratta?
Si tratta di un nuovo satellite, chiamato SVOM (Space-based multiband astronomical Variable Objects Monitor), nato dalla collaborazione tra l’agenzia spaziale cinese e francese con l’obiettivo scientifico di studiare i GRB e raccogliere osservazioni generali su tutti i fenomeni transienti che esplodono nell’Universo nell’intervallo energetico tra alcuni keV e alcuni MeV.

Il satellite avrà quattro strumenti a bordo: ECLAIRS è un monitor a maschera codificata in grado di osservare il cielo tra 4 keV a 150 keV. Quando esplode un GRB, sarà capace di rivelare l’esplosione e allertare tutti gli altri strumenti che ripunteranno il cielo per osservare lo stesso lampo di raggi gamma in bande energetiche diverse, come la banda X e ottica. Poi ci saranno due telescopi, uno a raggi X e uno ottico, e dei detector a più alta energia che forniranno una visione di GRB a energie attorno al MeV. I dati raccolti saranno utili per fare l’analisi spettrale del flash di emissione iniziale.
Questi strumenti lavoreranno in maniera coordinata con una serie di telescopi ottici situati a terra.

Il lancio del satellite è previsto per il 2021.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
La comunità GRB si sta aprendo alla cosiddetta multi-messenger astronomy, cioè lo studio di fenomeni astronomici mediante messaggeri diversi dai fotoni, come i neutrini o le onde gravitazionali.
Finora l’esistenza di un motore centrale che produce GRB è stata solo intuita attraverso una serie di prove indirette. Quando riusciremo a osservare delle onde gravitazionali in coincidenza di un GRB, avremo finalmente delle informazioni dirette su cos’è che veramente dà origine a tutta questa energia nell’Universo.

La messa a punto dei nuovi interferometri Advanced LIGO e Virgo e le loro recenti osservazioni ci fanno ben sperare. Grazie alle onde gravitazionali captate da Advanced LIGO, infatti, abbiamo scoperto che esistono sistemi binari di buchi neri di decine di masse solari: sono oggetti che non emettono luce, sono completamente invisibili a noi e fino a poco tempo fa potevamo solo ipotizzarne l’esistenza grazie ai modelli teorici. Ora conosciamo almeno tre di questi sistemi.

In pratica la multi-messenger astronomy ci permetterà di guardare il cielo con occhi nuovi.

Nome: Maria Grazia Bernardini
Età: 37 anni
Nata a: San Benedetto del Tronto
Vivo a: Montpellier (Francia)
Dottorato in: astrofisica relativistica (Roma)
Ricerca: I GRB dalle osservazioni alla modellizzazione e interpretazione teorica.
Istituto: Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (Francia)
Interessi: musica rock anni Settanta, leggere, viaggiare
Di Montpellier mi piace: è molto vicina al mare, non è caotica e ha tante offerte culturali
Di Montpellier non mi piace: mi sento sempre una straniera
Pensiero: Ricomincio da tre. (Massimo Troisi)

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