Rintracciare i misteriosi fast radio burst in un ambiente cosmico estremo

RICERCANDO ALL’ESTERO – In astronomia, un fenomeno si dice transiente quando può essere osservato per un breve periodo di tempo, da secondi a giorni, settimane o diversi anni. Tempi che sono molto più brevi rispetto ai milioni o miliardi di anni durante i quali evolvono le galassie e le stelle che compongono il nostro Universo.

Le sorgenti transienti possono avere qualunque natura tanto che gli astrofisici parlano di zoo di transienti. Igor Andreoni lavora alla Swinburne University of Technology di Melbourne (Australia) e si occupa di quei transienti che emettono nell’ottico, X e gamma e durano molto poco, cioè giorni, ore, minuti fino a pochi millisecondi come nel caso dei fast radio burst (FRB).

In che modo si studiano i transienti di breve durata?

È un tipo di ricerca molto nuova, soprattutto a livello tecnico, perché stiamo parlando di tempi-scala brevi e di oggetti rari che, se anche sono stati teorizzati, nessuno ha mai identificato a livello osservativo.

Il modo classico di studiare queste sorgenti è aspettare che un telescopio registri un evento e vedere se, in quella porzione di cielo, dopo qualche minuto/ora/giorno c’è ancora qualche sorgente luminosa che può essere associata al fenomeno. Chiaramente per i FRB, che hanno durata di 5 millisecondi cioè una cosa pazzesca, questo approccio non è percorribile.

L’aspetto innovativo a cui sto lavorando è un programma proattivo invece che reattivo chiamato Deeper Wider Faster: si tratta di usare telescopi molto potenti che lavorano a tutte le lunghezze d’onda, per osservare in profondità (deep) una regione di cielo il più ampia possibile (wide) alla ricerca di transienti molto veloci (fast). Attualmente ci sono più di 40 telescopi coinvolti nel programma, 15-20 dei quali osservano contemporaneamente la stessa regione di cielo, con una cadenza il più breve possibile; così se succede qualcosa, la troviamo non solo col nostro telescopio preferito ma anche con gli altri quindici. Credo che la chiave per capire la natura degli oggetti transienti veloci come i FRB sia proprio questa, cioè vedere se si manifestano nello stesso momento in più lunghezze d’onda.

Come viene scelta la regione di cielo da osservare?

Puntiamo i telescopi su quelle regioni in cui i FRB sono già stati osservati in passato: si è visto, infatti, che questi fenomeni non scompaiono per sempre ma si ripetono a distanza di minuti o anni. In realtà, tra tutti i 33 fast radio burst individuati solo uno sembra ripetersi quindi speriamo che la stessa sorgente emetta a breve un altro burst.

Con alcuni telescopi abbiamo provato a prendere i dati e a processarli con supercomputer in tempo reale. Per fare ciò ho sviluppato un programma per telescopi ottici molto potenti, da 4 a 8 m di diametro, che ho chiamato Mary pipeline perché all’epoca stavo leggendo Frankenstein e in fondo stavo assemblando parti di codice. La pipeline prende le immagini ottiche in input e segnala in output dove ci sono possibili candidati transienti.

Un altro aspetto interessante del mio lavoro, e uno dei motivi per cui ho iniziato a fare ricerca, riguarda la controparte elettromagnetica delle onde gravitazionali, e quindi riuscire ad associare un segnale gravitazionale a transienti che possiamo vedere con i nostri telescopi. Immaginiamo di avere una sorgente di onde gravitazionali nel cielo di un’altra galassia: se a scontrarsi non sono due buchi neri ma due stelle di neutroni, le reazioni nucleari che si generano emettono una tale quantità di fotoni che possiamo individuare la sorgente anche con i nostri telescopi ottici.

È quello che è successo il 17 agosto 2017, quando per la prima volta nella storia dell’osservazione dell’Universo c’è stata la scoperta simultanea di un segnale gravitazionale e un segnale elettromagnetico: con soli 2 secondi di differenza gli interferometri LIGO e VIRGO hanno rilevato onde gravitazionali e il satellite Fermi dei raggi gamma.

La comunità astronomica ha cercato un transiente che possa essere associato a questo segnale gravitazionale ed è stata trovata una kilonova, cioè un oggetto rarissimo osservato una sola volta in precedenza.

Siete riusciti a ottenere ulteriori dati grazie al vostro programma Deeper Wider Faster?

Abbiamo coinvolto tutti i nostri collaboratori in Australia e raccolto le informazioni di 14 telescopi sullo spettro ottico, infrarosso e radio. In prima istanza abbiamo dimostrato che il segnale luminoso che stavamo osservando era unico, diverso da qualunque altro trovato prima: comparando la sua curva di luce con i modelli di afterglow dei gamma ray burst (GRB) è emerso che il getto di emissione non era perfettamente indirizzato nella nostra direzione ed evolveva molto più velocemente dei transienti a cui siamo abituati. Non nel regime di secondi e minuti che è il mio preferito ma nel regime di ore e giorni, che è comunque speciale per questo campo di ricerca. L’analisi del profilo e dell’evoluzione degli spettri di emissione ha permesso di scartare l’ipotesi dei lampi di raggi gamma standard e di sostenere quella di un’esplosione simile alle kilonove.

Inoltre, questo nuovo transiente si raffredda più rapidamente di una supernova o di altri tipi di transienti e c’è una componente rossa molto importante che diventa sempre più brillante nei giorni successivi all’impatto. Questa sorgente rossa è generata da processi r, cioè quei processi di nucleosintesi che permettono la creazione di elementi più pesanti del ferro.

Quindi grazie ai raggi gamma si è confermato che le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce, cosa che Einstein aveva solo teorizzato e nessuno aveva potuto confermare, e si è dimostrato che lo scontro di stelle di neutroni è il principale laboratorio di sintesi di elementi pesanti come oro e platino.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Continuare l’esplorazione del cielo e ricercare nuove controparti ottiche, o in generale elettromagnetiche, di futuri segnali di onde gravitazionali. L’idea è usare uno strumento appena costruito a Caltech in California, chiamato Zwicky Transient Facility: ha un campo di vista enorme, con un solo scatto permette di vedere con discreta profondità una regione di cielo molto estesa.

Nome: Igor Andreoni
Età: 28 anni
Nato a: Bergamo
Vivo a: Melbourne (Australia)
Dottorato (in corso): astronomia (Melbourne, Australia)
Ricerca: Sorgenti transienti e controparti elettromagnetiche di onde gravitazionali
Istituto: Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology (Australia) 
Interessi: giocare a calcio, pescare, leggere  
Di Melbourne mi piace: c’è molto verde, è pulita, il caffè è buono
Di Melbourne non mi piace: manca la storia e la birra costa tantissimo
Pensiero: It is better to be lucky. But I would rather be exact. Then when luck comes you are ready. (Ernest Hemingway, The Old Man and the Sea)

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