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Un diario di cose celesti

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GRB 111209A e il collasso gravitazionale di una supergigante blu

22 Apr 2013 09:32 AM – Michele Diodati

La luce visibile è solo una piccola porzione dello spettro elettromagnetico e contiene fotoni non particolarmente energetici, con energie comprese tra 1,6 e 3,4 eV (elettronvolt). A mano a mano che la lunghezza d'onda dei fotoni diminuisce, l'energia trasportata aumenta. I raggi gamma si situano al limite superiore di questa scala, con lunghezze d'onda nell'ordine dei picometri – meno del diametro di un atomo – ed energie che possono superare le centinaia di GeV (Gigaelettronvolt), cioè molti miliardi di volte maggiori di quella trasportata dalla luce visibile.

Il brillamento di una magnetar

Non sorprende, dunque, che i raggi gamma siano i messaggeri di alcuni degli eventi più energetici che accadono nel cosmo: superbrillamenti di magnetar (stelle di neutroni dotate di campi magnetici straordinariamente intensi), fusioni tra stelle di neutroni, fusioni tra stelle di neutroni e buchi neri, supernovae, ipernovae.

Trovarsi sulla traiettoria di un fascio di raggi gamma emesso nel corso di uno di questi eventi può essere estremamente pericoloso. L'effetto dipende ovviamente dalla distanza della sorgente, dalla potenza e dalla durata dell'emissione.

Il 27 dicembre 2004, un brillamento della magnetar SGR 1806-20 investì la Terra con un flusso di raggi gamma così potente da influenzare sensibilmente la ionosfera terrestre e accecare i sensori di tutti i satelliti artificiali in grado di registrare simili radiazioni. Fortunatamente, la sorgente si trovava a qualcosa come 50.000 anni luce dalla Terra. Fosse stata a pochi anni luce di distanza, il brillamento avrebbe distrutto lo strato di ozono che protegge la nostra atmosfera, con conseguenze potenzialmente catastrofiche. È stato calcolato che in un decimo di secondo la magnetar rilasciò più energia di quella prodotta dal Sole in centomila anni (1,3 x 1046 erg). E fu tutto sommato un evento modesto, rispetto alla potenza di quei flash di raggi gamma, provenienti di solito da galassie lontane o lontanissime, che sono classificati come "gamma-ray burst" o, più brevemente, GRB.

Rappresentazione artistica di due GRB, uno di durata standard e uno ultra-lungo. Quello di durata standard è rappresentato dalla stella blu sullo sfondo: una stella di Wolf-Rayet, di dimensioni paragonabili a quelle del Sole, anche se di massa almeno dieci volte maggiore. La stella in primo piano è invece una supergigante, il cui collasso gravitazionale può produrre un'emissione di raggi gamma di diverse ore, come quella catalogata con la sigla GRB 111209A (<a href="http://www2.warwick.ac.uk/newsandevents/grb/grb3.jpg " target="_blank">vedi in alta risoluzione</a>). <span class="di">Cortesia: Mark A. Garlick</span>

Rappresentazione artistica di due GRB, uno di durata standard e uno ultra-lungo. Quello di durata standard è rappresentato dalla stella blu sullo sfondo: una stella di Wolf-Rayet, di dimensioni paragonabili a quelle del Sole, anche se di massa almeno dieci volte maggiore. La stella in primo piano è invece una supergigante, il cui collasso gravitazionale può produrre un'emissione di raggi gamma di diverse ore, come quella catalogata con la sigla GRB 111209A (<a href="http://www2.warwick.ac.uk/newsandevents/grb/grb3.jpg " target="_blank">vedi in alta risoluzione</a>). <span class="di">Cortesia: Mark A. Garlick</span>

I GRB sono suddivisi dagli astronomi in due categorie principali: GRB brevi, con durata fino a due secondi, e GRB lunghi, con durata dai due secondi in su.

GRB brevi

Dell'origine dei GRB brevi, che costituiscono il 30 per cento circa del totale dei GRB osservati, si sa pochissimo. È certo che devono trarre origine da oggetti estremamente compatti, perché la loro durata media, pari a 0,2 secondi, implica che l'estensione dell'oggetto emittente debba essere coerente con tale durata (0,2 secondi-luce corrispondono al 5 per cento circa del diametro del Sole). I principali candidati progenitori sono dunque sistemi binari composti da due stelle di neutroni o da una stella di neutroni e da un buco nero, cioè oggetti che racchiudono masse stellari nello spazio di poche decine di chilometri.

Quando due stelle di neutroni collidono, dopo aver spiraleggiato l'una verso l'altra a causa della perdita di momento causata dal rilascio di onde gravitazionali, si fondono formando un buco nero, circondato da un disco di materia in rapidissima rotazione. Tutto avviene nel giro di pochi istanti. In seguito alla fusione, un'enorme quantità di energia viene rilasciata sotto forma di getti collimati di raggi gamma, sparati perpendicolarmente rispetto al piano di rotazione del disco di accrescimento, grazie alla spinta di potentissimi campi magnetici. Gli astrofisici calcolano che in meno di un secondo questo rapidissimo processo produca la stessa quantità di energia emessa dal Sole nel corso di dieci miliardi di anni o da un'intera galassia nel corso di un anno.

Una simulazione al computer della fusione di due stelle di neutroni, con la generazione di un buco nero e di due getti collimati di raggi gamma. Cortesia: NASA/GSFC

I GRB che durano più di due secondi sono catalogati in tre classi: 1) lunghi, con durata di oltre due secondi; 2) super-lunghi, con durata di oltre mille secondi (16,6 minuti); 3) ultra-lunghi, con durata di oltre diecimila secondi (2,7 ore).

GRB lunghi

La maggior parte dei GRB lunghi si esaurisce in un tempo compreso tra i 20 e i 50 secondi, compatibile con la formazione di un buco nero di massa stellare attraverso il collasso gravitazionale di una stella di Wolf-Rayet.

Le stelle di Wolf-Rayet, così chiamate dal nome degli astronomi francesi Charles Wolf e Georges Rayet, sono stelle massicce, caldissime e molto luminose, giunte a uno stadio evolutivo in cui hanno già disperso nello spazio circostante gran parte della loro massa, attraverso l'espulsione degli strati esterni composti principalmente da idrogeno, sospinti dalla poderosa pressione di radiazione proveniente dall'interno.

Secondo il modello teorico della collapsar (da "collapsed star", stella collassata), quando una stella massiccia giunge allo stadio evolutivo in cui la fusione nucleare produce ferro, l'energia generata diventa inferiore a quella necessaria per sostenere il meccanismo della fusione. Ciò innesca un inesorabile e rapidissimo collasso gravitazionale del nucleo, che sprofonda su se stesso producendo un buco nero. La materia stellare esterna al nucleo precipita così verso il buco nero, circondandolo con un denso disco di accrescimento in rotazione più o meno veloce.

Se la rotazione del disco è sufficientemenre rapida, parte dell'energia della materia in caduta viene trasformata in getti collimati di particelle ionizzate, diretti verso i poli della stella collassante, cioè là dove è minore la densità del gas che forma il disco di accrescimento. Questi getti si fanno strada verso lo spazio esterno, dove erompono a velocità relativistiche (prossime cioè alla velocità della luce), generando raggi gamma nell'impatto con la materia che attraversano.

Se la Terra si trova allineata con la direzione di uno dei getti, strumenti come il satellite Swift della NASA registrano un GRB lungo, la cui durata è strettamente legata alla grandezza della stella collassante, cioè alla quantità di materia in caduta che può alimentare i getti. Poiché una stella di Wolf-Rayet che collassa ha già espulso gran parte dei suoi strati esterni, un GRB da essa prodotto dura in media pochi secondi.

La stella di Wolf-Rayet WR124, circondata dalla nebulosa M1-67, formata dai gas espulsi dalla stella medesima. L'immagine è stata ripresa con il Very Large Telescope dell'ESO. <span class="di">Cortesia: Mark A. Garlick</span>

La stella di Wolf-Rayet WR124, circondata dalla nebulosa M1-67, formata dai gas espulsi dalla stella medesima. L'immagine è stata ripresa con il Very Large Telescope dell'ESO. <span class="di">Cortesia: Mark A. Garlick</span>

Stelle che al momento del collasso gravitazionale hanno masse superiori a circa 15 masse solari, collassano verso il buco nero formato nel nucleo senza produrre una visibile esplosione di supernova. L'attrazione gravitazionale del buco nero attrae, infatti, irresistibilmente la materia verso il nucleo, soverchiando la forza esplosiva che avrebbe altrimenti disgregato la stella e disperso i suoi strati nello spazio esterno.

Se la massa della stella collassante è compresa, invece, tra 5 e 15 masse solari (con variazioni dipendenti dalla composizione chimica), è possibile che i telescopi registrino il bagliore di un'esplosione di supernova, che segue il GRB osservato nei raggi gamma. La dispersione della materia verso l'esterno è comunque contrastata dalla forza attrattiva del buco nero. Gli astronomi usano talvolta il termine ipernova, per riferirsi a una supernova mancata o poco appariscente nelle frequenze ottiche, associata al collasso gravitazionale di una stella. Queste supernovae sono quasi sempre di classe Ib o Ic.

L'energia rilasciata da un'ipernova è comunque maggiore, nel complesso, di quella di una tipica supernova, anche se viene dispersa in modo differente, cioè principalmente attraverso l'espulsione di getti relativistici e lampi di raggi gamma. È stato calcolato che l'energia prodotta da un'ipernova, se diffusa isotropicamente (cioè in modo uguale in tutte le direzioni), sarebbe nell'ordine dei 1053 erg. Gli astrofisici ritengono tuttavia che quest'energia sia di circa due ordini di grandezza minore (1051 erg), considerando che l'emissione di energia non è isotropica, ma avviene lungo direzioni preferenziali: i coni di ridotta dimensione angolare, attraverso i quali si liberano i getti relativistici prodotti dalla materia in caduta sul disco di accrescimento del neonato buco nero.

Ovviamente, l'impatto di un GRB di tale potenza sulla biosfera terrestre sarebbe letale. È possibile, del resto, che qualcosa del genere sia già accaduta in passato. Alcuni studiosi, per esempio, hanno avanzato l'ipotesi che la tremenda estinzione di massa che si verificò alla confluenza tra l'ordoviciano e il siluriano, circa 440 milioni di anni fa, fosse stata causata proprio dall'esplosione di un'ipernova. Secondo gli autori dell'ipotesi, se la presunta esplosione fosse avvenuta entro 6.500 anni luce di distanza dalla Terra, il flusso di raggi gamma che avrebbe investito l'atmosfera sarebbe stato sufficiente a distruggere lo strato di ozono, scatenare piogge acide e innescare un periodo di raffreddamento globale. Resta il fatto che l'evento di estinzione dell'ordoviciano-siluriano, la seconda maggiore delle cinque estinzioni di massa conosciute, causò la scomparsa improvvisa di oltre il 60 per cento delle specie marine, anche se non vi sono, almeno per ora, prove che consentano di addebitare la causa a un GRB assassino.

Un grafico che mette in relazione il numero e la durata dei GRB osservati dal satellite Swift (in basso) con la dimensione delle probabili sorgenti espressa in miglia (in alto): in blu sono rappresentati gli oggetti compatti (stelle di neutroni e buchi neri) e i GRB brevi ad essi associati; in giallo le stelle di taglia solare come le Wolf-Rayet e i GRB lunghi; in rosso le supergiganti e i GRB ultra-lunghi, di cui queste ultime sono ritenute responsabili. <span class="di">Cortesia: Andrew Levan (University of Warwick)</span>

Un grafico che mette in relazione il numero e la durata dei GRB osservati dal satellite Swift (in basso) con la dimensione delle probabili sorgenti espressa in miglia (in alto): in blu sono rappresentati gli oggetti compatti (stelle di neutroni e buchi neri) e i GRB brevi ad essi associati; in giallo le stelle di taglia solare come le Wolf-Rayet e i GRB lunghi; in rosso le supergiganti e i GRB ultra-lunghi, di cui queste ultime sono ritenute responsabili. <span class="di">Cortesia: Andrew Levan (University of Warwick)</span>

GRB ultra-lunghi

Il lancio di strumenti molto sofisticati come i satelliti Swift, Fermi e XMM-Newton ha consentito negli ultimi anni un notevole miglioramento nella rilevazione dei GRB e nell'analisi della loro struttura ed evoluzione.

Grazie a simili strumenti, a partire dal 2010 è stata scoperta una nuova classe di GRB, definiti ultra-lunghi, con durate di due ordini di grandezza maggiori rispetto ai tipici GRB lunghi.

Il primo a essere scoperto è stato il cosiddetto "scoppio di Natale" ("Christmas burst"), verificatosi il 25 dicembre 2010. GRB 101225A, questo il suo nome tecnico, ebbe una durata di oltre 2000 secondi: qualcosa di mai visto prima.

Poiché non era nota inizialmente la sua distanza, si formarono due diverse scuole di pensiero: una, presumendo che l'esplosione si fosse verificata nella Via Lattea, attribuì la causa alla distruzione di un asteroide o di una cometa da parte di una stella di neutroni; la seconda, assumendo invece che l'esplosione fosse avvenuta in una galassia distante almeno 3,5 miliardi di anni luce, attribuì la causa alla fusione di un esotico sistema binario, formato da una stella di neutroni e da una stella di elio che aveva già espulso il suo involucro di idrogeno.

Il secondo GRB ultra-lungo fu scoperto dal satellite Swift il 9 dicembre 2011. Chiamato GRB 111209A, durò per il tempo incredibile di 25.000 secondi, pari a circa sette ore. Il terzo e per ora ultimo, GRB 121027A, fu scoperto, anche questo da Swift, il 27 ottobre 2012. Ebbe l'inusuale caratteristica di un lunghissimo ed energetico brillamento nei raggi X, seguito all'innesco, molto più breve, rilevato nei raggi gamma.

I tre eventi sono accomunati non solo dall'interminabile durata, ma anche dalle distanze cosmologiche alle quali sono avvenuti. La valutazione della distanza per oggetti così lontani è fatta per mezzo dell'analisi spettrale: si misura il cosiddetto redshift, cioè lo spostamento verso il rosso delle righe spettrali. Il redshift di GRB 101225A, calcolato in un primo tempo a 0,33, è stato ridefinito a 0,847, quello di GRB 111209A è stimato a 0,677, quello di GRB 121027A addirittura a 1,773. Traducendo questi redshift in distanze dalla Terra, si ottengono rispettivamente i valori di 7,05, 6,16 e 9,92 miliardi di anni luce.

Un grafico che mette in relazione energia e durata di differenti categorie di GRB. <span class="di">Cortesia: Bruce Gendre (ASDC/INAF-OAR/ARTEMIS)</span>

Un grafico che mette in relazione energia e durata di differenti categorie di GRB. <span class="di">Cortesia: Bruce Gendre (ASDC/INAF-OAR/ARTEMIS)</span>

GRB 111209A

Uno studio pubblicato a marzo 2013 su The Astrophysical Journal, a cui hanno partecipato anche ricercatori italiani, ha analizzato in dettaglio il più lungo dei tre eventi, GRB 111209A.

Gli autori hanno calcolato l'energia isotropica liberata da questo GRB in (5,82 ± 0,73) × 1053 erg. Per capire l'ordine di grandezza del fenomeno, basti pensare che l'energia prodotta dal Sole ogni secondo vale circa 3,83 × 1033 erg: centinaia di miliardi di miliardi di volte inferiore.

Tuttavia, l'analisi dei dati suggerisce anche che l'enorme emissione di energia associata al GRB non è stata causata né da un'esplosione di supernova né dalla distruzione mareale di una stella da parte di un buco nero. Cosa può, dunque, aver prodotto un'emissione così lunga ed energetica?

La struttura e l'evoluzione del GRB escludono la possibilità che all'origine vi fossero una magnetar o una stella di Wolf-Rayet. L'unica conclusione possibile, secondo gli autori della ricerca, è che GRB 111209A sia stato l'effetto del collasso gravitazionale di una stella gigantesca, con un diametro circa mille volte maggiore di quello del Sole: poco meno di un miliardo e quattrocento milioni di chilometri, pari più o meno alla dimensione dell'orbita di Giove.

Rappresentazioni artistiche che pongono a confronto con il Sole e l'orbita di Giove la supergigante blu ritenuta all'origine dell'esplosione di raggi gamma GRB 111209A. <span class="di">Cortesia: NASA Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger</span>
Rappresentazioni artistiche che pongono a confronto con il Sole e l'orbita di Giove la supergigante blu ritenuta all'origine dell'esplosione di raggi gamma GRB 111209A. <span class="di">Cortesia: NASA Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger</span>

Rappresentazioni artistiche che pongono a confronto con il Sole e l'orbita di Giove la supergigante blu ritenuta all'origine dell'esplosione di raggi gamma GRB 111209A. <span class="di">Cortesia: NASA Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger</span>

Per alimentare un'emissione di raggi gamma durata sette ore, la progenitrice del GRB deve innanzitutto aver avuto una rotazione velocissima, in grado di trasferire al disco di accrescimento formatosi intorno al buco nero momento sufficiente a generare getti relativistici così potenti.

La stella deve inoltre aver posseduto una caratteristica molto rara nell'universo locale, cioè una metallicità molto bassa. Una così lunga durata del GRB si spiega, infatti, soltanto se almeno altrettanto lungo e costante è stato il flusso di materia in caduta verso il buco nero formatosi nel nucleo. Ciò vuol dire che la stella, pur giunta a uno stadio evolutivo tanto avanzato da innescare il collasso gravitazionale del nucleo, doveva possedere ancora la gran parte del suo involucro esterno. Ma una supergigante di normale metallicità sarebbe giunta alla fase del collasso avendo già dissipato molta parte della sua massa nello spazio esterno. Più metalli sono presenti in una stella, infatti, più è forte ed efficiente il vento stellare che contribuisce alla dispersione degli strati esterni nello spazio circostante.

La progenitrice del GRB doveva essere dunque, con ogni probabilità, una stella con un contenuto di metalli molto inferiore a quello solare. Ma un basso contenuto di metalli è tipico dell'universo primordiale. L'ipotesi teorica dei ricercatori è, pertanto, che la supergigante all'origine dell'evento GRB 111209A fosse quanto di più vicino sia stato finora scoperto a una stella di Popolazione III, cioè quella classe di stelle primordiali, composte quasi esclusivamente di idrogeno e di elio, che si pensa siano state le prime a formarsi nelle proto-galassie che popolavano l'universo neonato.

A una distanza stimata di oltre sei miliardi di anni luce, la galassia ospite di GRB 111209A è stata osservata con il telescopio spaziale Hubble cinque settimane dopo l'evento e si è rivelata un oggetto molto debole e compatto, con un'estensione stimata in circa 700 parsec (poco meno di 2.300 anni luce). Le caratteristiche spettrali confermano l'ipotesi di una bassa metallicità, anche se non bassissima, e la possibilità che si tratti di una galassia nana con un alto tasso di formazione stellare, compatibile con l'ipotesi teorica che spiega l'esplosione ultra-lunga di raggi gamma come l'effetto del collasso gravitazionale di una supergigante blu.

La galassia ospite di GRB 111209A ripresa con la WFC3 del telescopio spaziale Hubble. Il cerchio sovrapposto indica la posizione del bagliore residuo dell'esplosione di raggi gamma con un margine di errore di 1 sigma. La 'x' marca il centroide della galassia otticamente determinato. <span class="di">Cortesia: arXiv:1302.2352v1 [astro-ph.HE]</span>

La galassia ospite di GRB 111209A ripresa con la WFC3 del telescopio spaziale Hubble. Il cerchio sovrapposto indica la posizione del bagliore residuo dell'esplosione di raggi gamma con un margine di errore di 1 sigma. La 'x' marca il centroide della galassia otticamente determinato. <span class="di">Cortesia: arXiv:1302.2352v1 [astro-ph.HE]</span>

Immagine in falsi colori di GRB 111209A, acquisita dal telescopio a raggi X a bordo del satellite Swift. <span class="di">Cortesia: NASA/Swift/B. Gendre (ASDC/INAF-OAR/ARTEMIS)</span>

Immagine in falsi colori di GRB 111209A, acquisita dal telescopio a raggi X a bordo del satellite Swift. <span class="di">Cortesia: NASA/Swift/B. Gendre (ASDC/INAF-OAR/ARTEMIS)</span>

Riferimenti

Tag: articoli, raggi gamma, GRB, GRB 111209A, supergiganti blu, collapsar, magnetar, stelle di neutroni, buchi neri

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