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In astronomia, i gamma ray bursts (GRBs o lampi gamma) sono intensi lampi di raggi gamma che possono durare da pochi millisecondi a diverse decine di minuti. Queste potenti esplosioni costituiscono il fenomeno più energetico finora conosciuto dopo il Big Bang. I GRBs sono fenomeni abbastanza frequenti (all'incirca uno al giorno) e la loro distribuzione nel cielo è isotropa, ovvero avvengono in direzioni del tutto casuali ed imprevedibili. I GRBs sono eventi cosmologici, situati in galassie esterne alla Via Lattea e talvolta molto lontane. Il lampo gamma più lontano finora osservato, denominato GRB 050904, è avvenuto ad una distanza di 13 miliardi di anni luce dalla Terra. Una nuova era nello studio di questi oggetti celesti è iniziata nel 1997 con la scoperta del primo afterglow, l'emissione residua associata ad un GRB e visibile in tutte le bande spettrali (radio, IR, ottico, UV, raggi X). Secondo le teorie correnti, queste potenti emissioni di raggi gamma sono generate dall'accrescimento di materia su un buco nero. Molti sono i fenomeni che possono generare questo sistema buco nero+disco di accrescimento, ad esempio il collasso gravitazionale di una stella rotante e molto massiccia, la coalescenza di due stelle di neutroni o di una stella di neutroni ed un buco nero. Un GRB è usualmente indicato con la data (anno-mese-giorno) in cui è stato osservato e, se più di un burst è stato rivelato, si usa porre una lettera finale per indicarne l'ordine (A per il primo, B per il secondo, etc.). Ad esempio GRB 050509B è il secondo GRB osservato il 9 maggio 2005.
modifica Storia e Scopertamodifica I primi avvistamentiI lampi di raggi gamma cosmici furono scoperti nel 1973 da una serie di satelliti statunitensi chiamati "Vela", messi originariamente in orbita per scoprire i raggi gamma prodotti da eventuali bombe nucleari sovietiche [1] (ci si trovava in piena guerra fredda). Questi però raccolsero lampi occasionali di raggi gamma da sorgenti sconosciute. L'esistenza dei gamma-ray bursts fu confermata da molte missioni spaziali successive, tra cui le missioni Apollo e Venera. I lampi di raggi gamma possono essere osservati soltanto dallo spazio perché l'atmosfera blocca tali raggi. Ulteriori informazioni sulle sorgenti dei lampi si dimostrarono difficili da ottenere, e portarono più domande che risposte. La prima questione posta dai GRBs era: sono localizzati nella nostra Galassia, o avvengono in luoghi lontanissimi dell'Universo? La seconda domanda era: quale meccanismo causa i lampi? Se essi si trovano nell'Universo distante, tale meccanismo deve produrre una quantità enorme di energia. Piccoli progressi furono fatti in materia negli anni ottanta, ma nell'aprile 1991, la NASA lanciò il Compton Gamma Ray Observatory a bordo dello Space Shuttle. Uno degli esperimenti a bordo del Compton era il Burst & Transient Source Experiment (BATSE), che poteva rilevare lampi di raggi gamma e localizzare le loro posizioni nel cielo con ragionevole precisione. modifica BATSEDai dati raccolti dallo strumento furono ricavate due importanti informazioni:
Se infatti fossero eventi che avvengono nella nostra galassia allora sarebbero distribuiti preferibilmente sul piano della Via Lattea; anche se fossero associati con l'alone galattico, sarebbero distribuiti soprattutto verso il centro galattico, a meno che le dimensioni dell'alone non siano enormemente maggiori di quanto stimato. Inoltre le galassie vicine avrebbero dovuto presentare aloni simili, ma non misero in risalto “macchie di luce” di deboli lampi di raggi gamma.
I lampi corti durano tipicamente meno di due secondi e le emissioni sono dominate da fotoni ad alta energia; i lampi lunghi durano tipicamente più di due secondi e le emissioni sono dominate da fotoni a bassa energia. La separazione tra le due categorie non è assoluta e si osservano sovrapposizioni, ma la distinzione suggerisce due differenti classi di progenitori. Fu comunque solo nel 1997 che il satellite italiano Beppo-SAX permise di individuare le coordinate del lampo con una precisione senza precedenti, confermando definitivamente come questi lampi fossero generati in galassie lontane. modifica Beppo-SAX e l'era della post-luminescenzaA causa della bassa risoluzione dei rivelatori di raggi gamma impiegati per decenni dalle prime scoperte, nessun GRB era stato associato con controparti conosciute, né era stato identificato un possibile ospite (quale una stella o una galassia). La migliore speranza di cambiare questa situazione sembrava risiedere nella possibilità di osservare la coda di emissione del GRB, ovvero l'emissione molto più debole e in dissolvenza (con una rapida diminuzione nell'intensità del segnale) di radiazioni a lunghezza d'onda maggiore - indicate con il termine inglese afterglow (post-luminescenza) del GRB, la cui esistenza era predetta da numerosi modelli.[4] A dispetto di intense ricerche, questa coda di emissione non era stata individuata. Nel 1997 si è avuto un cambiamento con la messa in orbita del satellite italo-olandese Beppo-SAX. Dopo aver rivelato un gamma-ray burst (GRB 970228[5]), venne comandato al satellite di puntare la sua apparecchiatura di ricezione di raggi-X nella direzione da cui erano pervenute le emissioni gamma, e lo strumentò rivelò delle emissioni di raggi-X in dissolvenza. Ulteriori osservazioni con telescopi a terra identificarono una debole controparte ottica [6]. Con la posizione della sorgente perfettamente nota, quando l'emissione di raggi gamma si affievolì fino a scomparire, fu possibile raccogliere immagini ottiche più precise fino ad identificare la galassia estremamente lontana che aveva ospitato l'evento - la prima ad essere individuata di molte altre in seguito [7]. Entro poche settimane, la controversia sulle distanze di questi eventi aveva raggiunto una conclusione: i lampi gamma potevano essere finalmente identificati come eventi extra-galattici, che si originavano in galassie molto deboli[8] e ad enormi distanze dalla Terra. Questa scoperta rivoluzionò lo studio dei lampi gamma, stabilendone le distanze, caratterizzando l'ambiente in cui hanno origine e aprendo nuove opportunità osservative e teoriche su di essi[9]. modifica Swift ed i GRB oggiUn'analoga svolta nello studio dei lampi gamma è stata segnata dalla missione Swift, lanciata nel novembre 2004 ed ancora operativa. Il satellite Swift combina un rilevatore di raggi gamma molto sensibile con la capacità di un rapido (meno di un minuto) puntamento automatico in direzione del lampo, la cui emissione residua viene osservata dagli strumenti a bordo per la visualizzazione della controparte ottica e in raggi X. Ciò ha permesso finora:
Vengono costantemente compiute nuove scoperte, lo studio dei lampi di raggi gamma è uno dei più dinamici di tutta la scienza. modifica Distanze e scala energeticamodifica Modello Galattico e Modello ExtragalatticoPrima del lancio di BATSE, la scala delle distanze dei gamma-ray burst era totalmente sconosciuta. La gamma di teorie proposte per spiegare i GRB prevedevano locazioni assai diverse del fenomeno, dalle regioni esterne del nostro sistema solare ai limiti estremi dell'universo conosciuto. La scoperta che tali esplosioni erano isotrope diminuì notevolmente queste possibilità e verso la metà degli anni novanta solo due teorie erano considerate accettabili: che originassero da una regione molto vasta disposta come una corona intorno alla nostra galassia, oppure che originassero da lontane galassie, non appartenenti al Gruppo locale. I ricercatori che sostenevano il modello galattico[10] basavano le loro ipotesi su una classe di oggetti noti come soft gamma repeaters (SGR) (o "ripetitori gamma dolci"): stelle di neutroni altamente magnetiche, appartenenti alla nostra galassia, che periodicamente esplodono emettendo intensi bagliori di radiazione elettromagnetica, in raggi gamma e ad altre lunghezze d'onda. Nel loro modello postulavano che esistesse una popolazione finora non osservata di oggetti analoghi ad una distanza maggiore che originava i gamma-ray burst. Inoltre, ritenevano eccessivo il quantitativo di energia richiesto a generare un tipico gamma-ray burst, se si fosse ammessa l'ipotesi che avvenissero in una galassia distante. I ricercatori che sostenevano il modello extra-galattico [11] protestavano che l'ipotesi delle stelle di neutroni galattiche richiedessero troppe assunzione ad hoc nel tentativo di riprodurre il grado di isotropia individuato da BATSE e che un modello extra-galattico era molto più naturale, senza badare ai relativi problemi. modifica Natura extra-galattica dei GRBLa scoperta della coda di emissione (afetrglow) associata con galassie molto distanti favorì definitivamente la seconda ipotesi. Tuttavia, oggi sappiamo che i lampi di raggi gamma non sono semplicemente eventi extra-galattici, ma che avvengono praticamente al limite dell'universo visibile. Un GRB tipico ha un redshift non inferiore a 1.0 (corrispondente ad una distanza di 8 miliardi di anni luce), mentre l'evento più lontano conosciuto (Gamma Ray Burst 050904) ha un redshift di 6.3[12] (corrispondente alla strabiliante distanza di 12.3 miliardi di anni luce). Tuttavia, le osservazioni permettono di acquisire lo spettro solo di una piccola frazione dei lampi gamma - generalmente di quelli più luminosi - e molti degli altri potrebbero presentare un redshift ancora più elevato e, quindi, provenire da distanze anche maggiori. La conferma delle immense distanze da cui provengono i gamma-ray burst sollevò nuove domande sulle energie coinvolte in tali esplosioni. Se assumiamo che ogni lampo gamma emette energia uniformemente in tutte le direzioni, alcune tra le esplosioni più luminose corrispondono ad un rilascio totale di energia di 1047 Joule, valore prossimo alla conversione di una massa solare in radiazioni gamma (guarda equivalenza massa-energia) in pochi secondi. Non c'è nessun processo conosciuto nell'universo capace di liberare tanta energia così velocemente. Tuttavia il requisito energetico è semplificato se il lampo non è simmetrico; se, ad esempio, l'energia è incanalata lungo un getto sottile (con un angolo di pochi gradi) il valore reale del rilascio di energia per un GRB tipico diventa confrontabile con quello di una supernova molto luminosa. modifica Getti nei GRB: emissione collimataOggi infatti si ritiene fortemente plausibile quest'ultima ipotesi. In molti lampi di raggi gamma si è osservato un fenomeno chiamato jet break ("pausa nel getto"), durante il quale, mentre il getto rallenta, la coda di emissione ottica cambia rapidamente nella velocità di dissolvenza, da lenta a rapida [13]. Inoltre, almeno per una supernova, simile alle poche che sono state chiaramente identificate per aver accompagnato un gamma-ray burst, sono state osservate caratteristiche evocative di una significativa asimmetria nella sue esplosione (guarda "Progenitori" più in basso). L'angolo di apertura del getto (grado di collimazione), comunque, sembra variare largamente da 2 gradi a più di 20. Ci sono alcune prove che l'angolo del getto possa essere correlato all'energia apparentemente rilasciata in modo che l'energia realmente rilasciata da un GRB (lungo) sia approssimativamente costante - circa 1044 J, o approssimativamente 1/2000 di una massa solare [14]. Questo valore è confrontabile con il valore dell'energia rilasciata nell'esplosione di una brillante supernova di Tipo Ib/c (a volte denominata hypernova). Infatti, sembra che luminose hipernove abbiano accompagnato alcuni gamma-ray burst [15]. Il fatto che i lampi di raggi gamma siano dei getti suggerisce che il numero di tali eventi nell'universo sia maggiore del valore che stimiamo dalle nostre osservazioni, anche tenendo conto del limite di sensibilità dei nostri rilevatori. Ciò accade perché la maggior parte dei getti "mancherà" la Terra e non sarà mai vista; solo una piccola frazione del totale è casualmente puntata in direzione del nostro pianeta in un modo tale che ci permette di rilevarla come emissioni di GRB. Anche con queste considerazioni, il tasso di comparsa dei gamma-ray burst è molto piccolo - circa uno per galassia ogni 100.000 anni [16]. È solo grazie al fatto che i gamma-ray burst sono così luminosi che ci è permesso di rilevarli regolarmente a dispetto della loro rarità. Se il getto è diretto verso la Terra, possiamo rilevare i gamma-ray burst più luminosi senza che la distanza costituisca un ostacolo - speculazioni stimolanti ipotizzano che gli echi di alcune esplosioni possano possedere redshift pari a 7 o superiori (corrispondenti ad una distanza di 13 miliardi di anni luce), provenendo dai primordi dell'universo. Ma, anche i gamma-ray burst più deboli sono visibili se avvengono entro una distanza di un miliardo di anni luce. modifica GRB cortiLe argomentazioni espresse sopra si applicano soltanto ai GRB lunghi. I GRB corti, sebbene sempre extra-galattici, sembrano provenire da popolazioni a redshift inferiori e sono meno luminosi dei GRB lunghi [17]. Inoltre appaiono generalmente meno collimati [18] - o non collimati affatto in alcuni casi [19] - ed intrinsecamente meno energetici dei loro omologhi più lunghi. Sono probabilmente più frequenti nell'universo, sebbene siano stati osservati più raramente. modifica Progenitori: cosa provoca un GRB?Per decenni, non si è saputo quasi nulla sui gamma-ray burst: ne erano sconosciute le origini e la distribuzione, spaziale e statistica. I lampi di raggi gamma stessi mostravano una grande varietà: potevano durare da una frazione di secondo a diversi minuti, presentavano una grande verietà di spettri, che non assomigliavano a nulla di quanto allora conosciuto. Non può sorprendere che la mancanza di limiti osservativi portò ad una profusione di teorie: evaporazione dei buchi neri, brillamenti magnetici su nane bianche, accrescimento di stelle di neutroni, accrescimento di antimateria, tipi esotici di supernove e rapida dissipazione dell'energia di rotazione di un buco nero supermassiccio (per fornire solo alcuni esempi) [20]. Da allora la situazione è molto più chiara. È abbastanza sicuro che ci sono almeno due tipologie differenti di progenitori (o cause) dei gamma-ray burst: una responsabile delle emissioni di lunga durata e spettro molle (GRB lunghi) e una responsabile delle emissioni di corta durata e spettro duro (GRB corti). Si teorizza che progenitori dei GRB lunghi siano dovuti al collasso dei nuclei di stelle massicce, a bassa metallicità; i progenitori dei GRB corti non sono ancora stati identificati, ma il modello che desta migliori speranze li vede frutto della fusione di due stelle di neutroni. modifica GRB lunghi: stelle massiccemodifica Modello delle CollapsarC'è oggi un generale accordo nella comunità astrofisica che i lampi di raggi gamma di lunga durata siano associati alla esplosione di stelle massicce in un particolare tipo di supernova - evento a cui ci si riferisce comunemente con collapsar [21]. Quando una stella massiccia giunge alla sintesi del ferro, il processo di fusione nucleare assorbe più energia di quanta possa liberarne e non è più in grado, quindi, di arrestare la contrazione della stella sotto l'azione del proprio peso (vedi Evoluzione stellare). Nel caso la massa del nucleo superi un valore critico (2 o 3 masse solari), la contrazione conduce alla formazione di un buco nero. La materia della stella che non ha partecipato alla formazione del buco nero, continua a precipitare attratta da esso e (nel caso che la stella progenitrice avesse posseduto una grande velocità di rotazione) inizia a ruotargli attorno turbinosamente andando a costituire un disco di accrescimento di elevata densità. Quando il materiale del disco cade nel buco nero si originano due getti lungo l'asse di rotazione (direzione di densità minore), verso i poli della stella ad una velocità prossima a quella della luce, originando un'onda d'urto relativistica [22]. Se la stella non è avvolta da una spessa nuvola di idrogeno diffuso, questo materiale erutta dalla superficie stellare. Il fronte d'onda accelera al decrescere della densità della materia stellare e, quando raggiunge la superficie, ha raggiunto un fattore di Lorentz di 100 o superiore (cioè, una velocità pari a 0.9999 volte la velocità della luce). Una volta raggiunta la superficie, l'onda d'urto erompe nello spazio, dove la maggior parte della sua energia è rilasciata nella forma di raggi gamma. È da notare che questa teoria richiede tre condizioni speciali perché una stella possa evolvere fino all'emissione di un gamma-ray burst:
Di conseguenza, i gamma-ray burst sono ben più rari delle supernove con collasso del nucleo, per le quali è richiesto (come generalmente assunto) solo che la stella abbia sufficiente massa da raggiungere la fase di sintesi del ferro. Sono necessarie ulteriori ricerche per affinare la teoria presentata ed identificare i valori limite della massa, velocità di rotazione e metallicità della stella progenitrice. modifica Evidenze osservative del modello delle collapsarLa teoria finora proposta è basata principalmente su due tipologie di evidenze osservative. Primo, gamma-ray bursts lunghi sono stati individuati in sistemi in cui è osservabile una recente ed abbondante formazione stellare, sia nelle galassie irregolari che nelle braccia delle galassie a spirale [23] e non sono mai stati osservati in regioni dove la formazione stellare è cessata. Questa è una prova forte del legame con le stelle massicce, che evolvono e muoiono in poche centinaia di milioni di anni, sebbene non si riferisca necessariamente al solo modello delle collapsar. Altri modelli che prevedono un'associazione con la formazione stellare ne sono ugualmente favoriti. Secondo, sono stati osservati diversi casi in cui un'esplosione di supernova ha immediatamente seguito l'emissione del lampo gamma. Sebbene la maggior parte dei gamma-ray burst avvengano a distanze così elevate che i nostri strumenti non sono in grado di rilevare la debole emissione di una eventuale supernova, nei sistemi a basso redshift sono stati ben documentati diversi casi di GRB seguiti in pochi giorni dalla comparsa di una supernova. Tali supernove sono state tutte classificate come del tipo Ib/c, una classe di rare supernove dovute al collasso del nucleo ma che mancano linee di assorbimento dell'idrogeno (consistentemente con l'associazione teorica con stelle che abbiano perso il loro involucro di idrogeno). Tra le associazione di GRB e supernove più ovvie, ci sono quelle di GRB 060218 con SN 2006aj, [24], di GRB 030329 con SN 2003dh, [25], e di GRB 980425 con SN 1998bw, [26] mentre una manciata dei GRB più distanti mostra un picco di supernova nelle curve di luce delle tarde [27] code di emissione (afetrglow). Sono state osservate possibili eccezioni alla teoria presentata: due vicini gamma-ray burst lunghi senza una firma di una qualunque classe di supernova. Nonostante un'intensa attività osservativa dei telescopi a terra, GRB 060614 e GRB 060505 hanno contraddetto la predizione di apparizione di una supernova, [28] [29]. Entrambi gli eventi sono stati comunque associati con popolazioni in cui è presenta attività di formazione stellare. Una possibile implicazione è che durante il collasso di un nucleo stellare massiccio possa essere totalmente impedita l'esplosione di supernova, se, ad esempio, il buco nero inghiotte completamente la stella prima che l'esplosione possa raggiungere la superficie. modifica GRB corti: binarie degeneri?Di nuovo, dobbiamo individuare un'eccezione nei gamma-ray burst corti. Ad oggi, sono state individuate le galassie ospiti solo per una manciata di eventi, che, inoltre, sembrano mostrare delle significative differenze dalla popolazione dei lampi lunghi: per quanto un lampo corto sia stato localizzato con precisione in una regione di formazione stellare, nella zona centrale di una galassia, molti altri sono stati associati con le regioni più esterne e in alcuni casi anche con l'alone di grandi galassie ellittiche, regioni dove la formazione stellare è cessata. Inoltre, tutti i GRB corti osservati finora hanno presentato un basso valore di redshift [17] e, a dispetto delle distanze relativamente vicine e dei dettagliati studi che li hanno seguiti, non sono stati associati a nessuna supernova. modifica Fusioni stella di neutroni - buco nero / stella di neutroni - stella di neutroni
modifica Brillamenti giganti in una magnetar
modifica GRB notevoli
L'immagine, acquisita il 23 gennaio 1999, mostra la coda di emissione ottica del gamma-ray burst GRB-990123. Il lampo è visibile come un punto chiaro indicato nel riquadro a sinistra. È identificabile, inoltre, la galassia ospite dell'evento (l'oggetto a forma di filamento sopra il GRB), che sembra essere stata distorta dalla collisione con un'altra galassia.
Sono state rilevate molte migliaia di gamma-ray bursts, da numerosi satelliti. Questa lista non tenta nemmeno di essere completa, includendo soltanto quei GRB che hanno un'importanza storica o scientifica.
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