Il cielo stellato. Dietro quella sensazione di meraviglia e pace che dona a chi lo osserva, si nascondono numerosi indizi sulla storia e l’evoluzione del nostro Universo. Lo sanno bene gli scienziati che lo studiano andando a caccia di segnali con i numerosi strumenti a loro disposizione. Ecco che in pochi mesi – un colpo di fortuna per tutti coloro che ci lavorano da decenni – i fisici sono riusciti a rilevare per ben due volte quelle che sono chiamate esplosioni di raggi gamma o GRB, dall’inglese Gamma Ray Burst. I dati raccolti sono stati pubblicati in tre articoli della rivista Nature e tra gli autori sono presenti anche gli studiosi del Dipartimento Interateneo di Fisica di Bari, del Politecnico di Bari e dell’INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Abbiamo chiesto a Elisabetta Bissaldi, astrofisica e ricercatrice dell’Università e del Politecnico di Bari, di spiegarci cosa sono le esplosioni di raggi gamma, perché è importante conoscerle e come è stato possibile documentarle.
In che modo i ricercatori di Bari sono coinvolti in questo studio?
Tra il Dipartimento Interateneo di Fisica di Bari, il Politecnico di Bari e l’INFN, siamo in tanti a essere coinvolti in questa ricerca. In particolare, noi lavoriamo in due esperimenti. Il primo è Fermi, il satellite NASA, in volo dal 2008, i cui strumenti sono stati costruiti a Bari; il secondo esperimento, MAGIC – Major Atmosferico Gamma Imaging Cherenkov, consiste in un osservatorio dotato di telescopi Cherenkov e si trova alle Canarie, a La Palma. Entrambi sono stati i protagonisti, insieme all’esperimento HESS – High Energy Stereoscopic System in Namibia, della rilevazione delle esplosioni di raggi gamma descritte su Nature.
Cosa sono le esplosioni di raggi gamma e perché la loro scoperta è stata motivo di tanto entusiasmo nella comunità scientifica?
Noi astrofisici studiamo le stelle. Ci sono alcuni tipi di stelle che esplodono e ce ne occupiamo più o meno dagli anni Settanta: proprio alla fine degli anni Sessanta sono stati scoperti questi lampi di raggi gamma, i Gamma Ray Burst (GRB). Cosa sono i raggi gamma? Come la luce visibile, i raggi gamma fanno parte delle radiazioni elettromagnetiche ma la loro energia è di molto maggiore. Un esempio conosciuto di radiazione altamente energetica sono i raggi X utilizzati per le radiografie. Noi tutti sappiamo che proprio la loro alta energia li rende nocivi per l’uomo per esposizioni prolungate. I raggi gamma sono ancora più energetici ma, per fortuna, noi siamo protetti da questa radiazione proveniente dallo spazio: il nostro scudo è l’atmosfera terrestre. Allora come possiamo misurarli per scopi scientifici? Utilizziamo un satellite, l’esperimento Fermi a cui ho già accennato.
Cosa sono esattamente questi lampi di raggi gamma? Sono come dei piccoli segnali, molto brevi, che compaiono e scompaiono in brevissimo tempo in un punto qualunque del cielo, senza lasciare traccia. Possono durare pochissimi secondi.
Cosa genera queste esplosioni?
I GRB sono stati un grande mistero per molto tempo, quasi 20 anni in cui gli scienziati si sono domandati cosa fossero. Ciò che è stato compreso quasi subito è che questi lampi indicavano la fine della vita di una stella, erano originati da un’esplosione. Le stelle che muoiono in questo modo, però, sono molto particolari, diverse dal nostro sole. Il Sole è una stella che potremmo definire abbastanza quieta perché ha una massa piccola, una vita lunga – di 10 miliardi di anni – e quando morirà non ci saranno grandi sconvolgimenti: si ingrandirà un po’, a un certo punto ci sarà una specie di piccola esplosione e poi si spegnerà. Invece ci sono delle stelle nell’Universo che hanno una massa di molte volte maggiore, il cui destino finale prevede una grande esplosione. Un esempio sono le supernovae.
Questo lampo di raggi gamma è ancora più forte dell’esplosione di una supernova, c’è ancora più energia. L’aspetto particolare è che, nel momento dell’esplosione, si formano due getti di materia – visivamente possono ricordare le luci di un faro – che si dirigono in due direzioni opposte dell’Universo. Noi registriamo queste esplosioni quando sono in qualche modo puntate verso la Terra e le possiamo vedere con i nostri strumenti.
Rappresentazione artistica di un’esplosione di raggi gamma. Credits immagine: ESO/A. Roquette (CC BY 4.0)
È la prima volta che questi raggi gamma vengono rilevati?
I raggi gamma sono stati rilevati per tanti anni ma si trattava di radiazioni con energie basse rispetto all’intero intervallo possibile. Con il satellite Fermi eravamo riusciti a misurare lampi di energie 100 miliardi di volte maggiori di quelle della luce di una lampadina e non abbiamo oltrepassato questo limite. L’eccezionalità delle ultime misurazioni è proprio questa: i grossi telescopi Cherenkov hanno per la prima volta misurato un lampo di raggi gamma ancora più energetico di questa soglia. In realtà ci sono stati due eventi, uno a gennaio di quest’anno, quello che è il protagonista di due degli articoli di Nature, e l’altro nel luglio 2018. Sono stati eventi molto diversi, un po’ perché registrati da strumentazioni differenti, un po’ per le loro caratteristiche. L’esplosione di gennaio, la più famosa, è stata evidente, lampante, direi da manuale. Quella di luglio, invece, è avvenuta quando in Europa era giorno: i telescopi non hanno potuto seguire subito il fenomeno, si è attesa la notte e quindi c’è stato un forte ritardo tra il lampo e la misurazione del segnale.
Anni e anni d’attesa e poi, in pochi mesi, ben due GRB.
Pensate che c’è stato ancora un altro evento il cui studio deve essere ancora pubblicato. Questa situazione non è però così strana, più che fortuna è il frutto di una combinazione di fattori: c’è la distanza dell’esplosione che non deve essere troppo elevata – stiamo comunque parlando di milioni di anni luce – ma è necessario considerare anche il miglioramento degli strumenti adoperati. Ora siamo più preparati per registrare questo tipo di eventi.
Come si misurano i lampi di raggi gamma?
Il satellite Fermi è il primo che registra nei cieli queste esplosioni, rilevando raggi gamma. Lo strumento quindi invia immediatamente l’informazione ad altri satelliti e a terra, a tutti telescopi tra cui i telescopi Cherenkov. Questi ultimi sono in grado di rivelare la radiazione ultravioletta, quindi di minore energia rispetto ai gamma, generata dallo scontro di questi ultimi con le particelle presenti nella nostra atmosfera. La radiazione Cherenkov generata da queste particelle, che ha lunghezze d’onda appartenenti all’ultravioletto, è usata per determinare la direzione e l’intensità della sorgente dei raggi gamma del GRB proprio attraverso i telescopi Cherenkov, nel nostro caso quelli degli esperimenti HESS e MAGIC.
Ora che avete ottenuto questi nuovi dati, quali saranno i prossimi passi della ricerca? Gli scienziati di Bari faranno parte della nuova fase di studio?
Queste due scoperte ci hanno aiutato già tantissimo. Da una parte, è da anni che si cerca di comprendere i processi alla base di queste esplosioni, ciò che avviene quando una stella muore, dall’altra desidereremmo capire anche come viene espulso questo getto che ci colpisce. Attualmente gli astrofisici teorici stanno tentando di chiarire come in questa esplosione venga emessa un’energia così elevata. Per i GRB, per ora, è molto difficile dare una spiegazione valida in tutti i casi: rispetto ad altre sorgenti celesti sono tutti molto diversi. Noi li studiamo utilizzando tante altre fonti di dati e ci rendiamo conto che ogni evento è veramente molto diverso dall’altro. A questo punto, come accade solitamente in fisica, abbiamo la necessità di raccogliere un campione più grande di esplosioni per poter verificare la correttezza dei modelli teorici elaborati fino a oggi. Come fare? Bari, insieme ad altre istituzioni europee e mondiali, sta lavorando a un grande progetto: si chiama Cherenkov Telescope Array e consiste nella realizzazione di due grandi osservatori astronomici, uno nell’emisfero nord e l’altro nell’emisfero sud della Terra, che studieranno l’Universo attraverso i raggi gamma di altissima energia misurati da 100 telescopi Cherenkov. Una delle sedi di questo esperimento sarà sempre alle Canarie, a La Palma, dove c’è già l’osservatorio MAGIC, l’altro sito dovrebbe essere in Cile. Tutto dovrebbe essere pronto tra una decina di anni e, grazie al grande numero di strumenti, speriamo di riuscire a ottenere segnali molto più precisi. Noi ci stiamo rimboccando le maniche, l’Università, il Politecnico e l’INFN di Bari hanno già costruito uno dei prototipi di telescopi, attualmente posizionato in Arizona, negli Stati Uniti.
