Esplosioni extra-lunghe sfidano le nostre teorie sui cataclismi cosmici | Rivista Quanti

L’11 dicembre 2021, un raggio di raggi gamma – la forma di luce più energetica – si è schiantato contro il satellite Swift della NASA. Nel giro di 120 secondi, il satellite si è orientato verso l’esplosione e ha individuato le braci ardenti di una catastrofe cosmica. Dieci minuti dopo, gli astronomi di tutto il mondo hanno ricevuto l'allarme.

Tra questi c'era Jillian Rastinejad, uno studente laureato alla Northwestern University. A Rastinejad e ai suoi collaboratori, questo lampo di raggi gamma sembrava stranamente simile a un'esplosione insolita del 2006. Rastinejad chiamò l'Osservatorio Gemini alle Hawaii e arruolò dei ricercatori lì per osservare profondamente la zona di cielo da cui proveniva l'esplosione. Pochi giorni dopo, quando si sono alzate le nuvole, è subentrata una ricercatrice dell’Osservatorio MMT in Arizona, che ha fatto del suo meglio per mantenere il telescopio puntato sul punto di luce in via di dissolvenza a un miliardo di anni luce di distanza.

Non è stata un'impresa da poco dato che anche lì il tempo stava cambiando, ha detto Rastinejad. "Ha trovato un buco tra le nuvole per noi ogni giorno intorno alle 4 del mattino."

Quando la catena di osservazioni si concluse, circa una settimana dopo, Rastinejad e i suoi colleghi avevano un’idea abbastanza chiara di cosa avesse emesso quei raggi gamma attraverso l’universo. Mentre guardavano, le conseguenze dell'esplosione erano diventate sempre più rosse, un segno inequivocabile che tra i detriti si stavano forgiando atomi pesanti come l'oro e il platino. La fonte principale di tale alchimia cosmica sono le collisioni che coinvolgono le stelle di neutroni, i nuclei inimmaginabilmente densi dei soli morti.

L’unico problema era che una simile conclusione sembrava impossibile. Quando le stelle di neutroni si fondono, sospettano gli astrofisici, tutto finisce in una frazione di secondo. Ma Swift aveva registrato un bombardamento di raggi gamma della durata di 51 secondi relativamente interminabili, normalmente la firma di un tipo molto diverso di dramma cosmico.

Da allora, gli astronomi hanno identificato più eventi come questo. Il più recente si è verificato a marzo, quando il secondo lampo di raggi gamma più luminoso mai rilevato è durato 35 secondi. Ancora una volta, gli astronomi hanno osservato le terribili conseguenze della collisione di una stella di neutroni. Hanno anche reclutato il telescopio spaziale James Webb per studiare la bizzarra esplosione e segni individuati dell'elemento pesante tellurio nella polvere che si depositava.

Nel complesso, la serie di osservazioni apre un nuovo mistero in un’area dell’astronomia che la maggior parte dei ricercatori considerava risolta: cosa causa questi eventi apparentemente rapidi e violenti che emettono raggi gamma per così tanto tempo? È un enigma che gli astrofisici dovranno risolvere se vogliono raggiungere l'obiettivo più ambizioso di comprendere le origini di tutti i diversi elementi nell'universo, molti dei quali nascono da queste violente esplosioni.

"Sono stato davvero entusiasta di vedere questo", ha detto Daniele Kasen, un astrofisico dell'Università della California, Berkeley, specializzato in esplosioni cosmiche. "È stato un vero enigma."

Guerra fredda, esplosioni brillanti

Oggi, Swift cattura un lampo di raggi gamma ogni pochi giorni. Ma le esplosioni erano sconosciute fino al culmine della Guerra Fredda, quando apparvero dal nulla. Negli anni ’1960, l’aeronautica americana lanciò i satelliti Vela per assicurarsi che l’Unione Sovietica rispettasse il divieto di test sulle armi nucleari. Se i sovietici facessero esplodere una bomba nucleare nello spazio, il conseguente lampo di raggi gamma – onde energetiche di luce corte quanto il nucleo di un atomo – sarebbe impossibile da nascondere.

I satelliti non hanno rilevato alcuna violazione sovietica. Ma tra il 1969 e il 1972 la situazione riprese 16 lampi misteriosi di raggi gamma che i ricercatori del Los Alamos National Laboratory hanno determinato essere di “origine cosmica”.

Nei decenni successivi, la NASA iniziò le indagini. L'agenzia spaziale ha lanciato a satellite dedicato per la caccia ai burst nel 1991, e nei nove anni successivi, ha rilevato quasi 3,000 lampi di raggi gamma. Gli eventi erano di due tipi: brevi e lunghi. La maggior parte delle raffiche brevi sono durate meno di un secondo, mentre molte raffiche lunghe sono durate un minuto o più (la linea di demarcazione tra i due gusti arriva a circa due secondi).

Qualunque cosa stesse causando queste esplosioni sembrava catastrofica; in meno della metà della durata di una canzone pop, emettevano tanta energia quanta ne produce il nostro sole in miliardi di anni. Cosa potrebbe mai brillare così intensamente? Inizialmente gli astrofisici non ne erano sicuri, ma le enormi energie coinvolte indicavano cataclismi che avrebbero posto fine al mondo. E le due durate alludevano a due tipi di catastrofi, una più veloce che durava circa un secondo e una (un po’) più lenta che si svolgeva nell’arco di un minuto.

Gli astronomi hanno scoperto per primi l’origine delle esplosioni più lente. Alla fine degli anni ’1990, quando i ricercatori migliorarono nell’individuare la direzione da cui proveniva un’esplosione, iniziarono a catturare bagliori residui che suggerivano esplosioni cosmiche. Poi, nel 2003, gli astronomi osservando un bagliore nelle vicinanze videro il brillanti fuochi d'artificio di una supernova pochi giorni dopo un lungo lampo di raggi gamma: il lampo aveva segnalato la prima fase della morte di una stella gigante.

Comprendere il cataclisma più rapido richiederebbe un altro decennio e strumenti più affilati. Lo strumento rivoluzionario si è rivelato essere il satellite Swift della NASA. Lanciato nel 2004, Swift era dotato di una piastra di piombo modellata lunga un metro che poteva intrappolare i raggi gamma da un'ampia fascia di cielo. Fondamentalmente, possedeva anche la capacità unica di ruotare rapidamente una coppia di telescopi di bordo nella direzione di qualsiasi esplosione astronomica. (Secondo la tradizione degli scienziati Swift, questa tecnologia "punta e spara" è stata parzialmente sviluppata per un altro progetto di difesa della Guerra Fredda: la Strategic Defense Initiative di Ronald Reagan - informalmente nota come "Star Wars" - che mirava ad abbattere missili nucleari durante il volo. )

Con Swift, gli astronomi potrebbero ora osservare un lampo di raggi gamma entro due minuti, abbastanza velocemente da catturare per la prima volta i bagliori residui di brevi lampi di raggi gamma. Osservando il flash iniziale svanire, gli astronomi hanno visto anche i segni di un’esplosione successiva, che è diventata più rossa nel tempo. Gli astrofisici calcolarono presto che questo rossore era prevedibile dopo una fusione che coinvolgeva una stella di neutroni (che potrebbe essere uno scontro tra due stelle di neutroni o tra una stella di neutroni e un buco nero). Una tale collisione espellerebbe i detriti che bloccano le lunghezze d’onda della luce più corte e più blu. La corrispondenza di quelle esplosioni, soprannominate kilonova, con i brevi lampi di raggi gamma che le hanno precedute ha fornito una forte prova circostanziale che le fusioni di stelle di neutroni sono state una catastrofe breve.

Prove dirette è avvenuto il 17 agosto 2017. Due stelle di neutroni vicine si sono scontrate e hanno scosso il tessuto dello spazio-tempo, producendo onde gravitazionali che l'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser (LIGO) è riuscito a rilevare. Leggendo le informazioni codificate in quelle increspature, gli scienziati avrebbero poi calcolato le masse degli oggetti in collisione e avrebbero scoperto che si trattava di stelle di neutroni. Subito dopo l’arrivo delle onde gravitazionali, il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi ha rilevato un lampo di raggi gamma della durata di due secondi. E nei giorni successivi, gli astronomi hanno visto l’arrossamento rivelatore di una kilonova nello stesso punto del lampo di raggi gamma. IL tre osservazioni consecutive lasciava poco spazio ai dubbi: brevi raffiche potrebbero provenire da fusioni di stelle di neutroni.

“Questo ha cementato tutto”, ha detto Brian Metzger, un astrofisico della Columbia University e uno dei teorici che per primi predissero come sarebbe stata la kilonova dopo una fusione. "[Abbiamo pensato] 'OK, questa foto ha davvero senso.'"

Quel quadro sta ora iniziando a fratturarsi.

Una svolta nel terzo atto

Per primo è arrivato quello di Rastinejad Scoppio di 51 secondi alla fine del 2021. Assomigliava molto a una lunga esplosione vicina del 2006 che, sorprendentemente, sembrava priva di supernova. Ma con strumenti moderni e una comprensione più profonda di cosa cercare, Rastinejad e colleghi sono stati in grado di vedere ciò che gli astronomi nel 2006 non avevano visto: l’esplosione del 2021 è stata seguita da una fioca kilonova rossa.

Questa osservazione ha stimolato Andrea Levan della Radboud University per rivisitare una misteriosa esplosione di 64 secondi su cui si interrogava dal 2019. L'esplosione era avvenuta nel cuore di un'antica galassia dove la nascita e la morte delle stelle (sotto forma di supernova) erano cessate eoni fa. Nel mese di giugno, Levan e i suoi collaboratori litigavano che la spiegazione più probabile per la loro lunga esplosione era che due cadaveri stellari - almeno uno dei quali era probabilmente una stella di neutroni - si erano ritrovati e si erano fusi.

E ora, il telescopio spaziale James Webb ha fornito la visione più chiara di ciò che accade dopo un’esplosione anomala. Quando il lampo di 35 secondi raggiunse la Terra il 7 marzo, la piastra di piombo sensibile ai raggi gamma di Swift era rivolta in una direzione diversa. I raggi energetici furono rilevati principalmente da Fermi, che lo considerò il secondo lampo di raggi gamma più luminoso di tutti i tempi (dopo un evento da record in 2022).

Al posto di Swift, gli astronomi hanno utilizzato una flotta interplanetaria di veicoli spaziali (comprese sonde su Marte e Mercurio) per individuare la posizione dell'esplosione. Nei giorni successivi, quando i telescopi a terra videro nuovamente il caratteristico arrossamento di una kilonova, Levan lanciò rapidamente una richiesta di emergenza per un’osservazione JWST quasi in tempo reale dell’evento. "Fortunatamente per noi, hanno detto di sì", ha detto Levan. “Ciò ci ha permesso di ottenere quelle osservazioni circa un mese dopo lo scoppio iniziale”.

JWST ha raccolto una miniera di dati dal campo di detriti fluttuanti. I telescopi ottici non riescono a vedere in profondità nella spessa nube di kilonova proprio per il motivo per cui l'evento affascina gli astrofisici: emette atomi giganti che bloccano la luce attraverso un'arcana catena di eventi nota come r-processi.

Le stelle tipicamente fondono gli atomi di idrogeno in elio e poi fondono atomi più leggeri in atomi un po' più pesanti come ossigeno e carbonio. IL r-process è uno dei pochi modi per passare direttamente agli elementi naturali più pesanti. Questo perché la collisione di una stella di neutroni crea un denso vortice di neutroni. Nel caos, i neutroni si insinuano ripetutamente nei nuclei atomici, formando atomi altamente instabili e radioattivi. Quando i neutroni in questi atomi decadono, si trasmutano in protoni. Se alla fine ti ritrovi con 78 protoni, quello è un atomo di platino. Se ottieni 79 protoni, è oro.

Gli atomi voluminosi forgiati dalla polvere di una stella di neutroni bloccano la luce visibile e brillano principalmente nella luce infrarossa. Ecco perché JWST, un telescopio a infrarossi, era così adatto a scrutare una nube di kilonova. "Non abbiamo mai osservato una kilonova con JWST prima", ha detto Metzger. "È lo strumento perfetto."

Tra i detriti, JWST ha individuato atomi di tellurio (52 protoni), il che conferma che le fusioni di stelle di neutroni possono forgiare elementi piuttosto pesanti verso la fine della quinta riga della tavola periodica. "È un elemento molto più pesante di quelli che abbiamo visto prima", ha detto Levan.

Ma allo stesso tempo, l’osservazione del JWST contribuisce alla crescente consapevolezza che, per quanto improbabile una volta sembrasse, le fusioni che coinvolgono stelle di neutroni possono produrre lunghi lampi di raggi gamma. La domanda ora è: come?

Oggetti densi, raffiche lunghe

Le supernovae emettono lunghi lampi di raggi gamma perché le esplosioni stellari sono relativamente lente e disordinate. La morte di una stella gigante inizia con il collasso del suo centro in un buco nero. Dopo che ciò accade, una notevole quantità di materiale stellare esterno – forse sommandosi alla massa di diversi soli – si muove a spirale nel buco nero, lanciando potenti getti di particelle che sparano raggi gamma nel vuoto per diversi minuti.

Le fusioni di stelle di neutroni, al contrario, dovrebbero concludersi in un lampo. Una stella di neutroni racchiude la massa di un sole o giù di lì in una sfera liscia e minuscola di poche miglia di diametro. Quando due di quelle sfere dense si scontrano – o quando una si scontra con un buco nero – la materia collassa in un buco nero. Durante lo spasmo finale, viene lanciata in orbita molta meno materia rimanente che nel caso del collasso stellare. Mentre il buco nero divora questo leggero spuntino, che potrebbe pesare 10 volte meno del sole, alimenta brevemente dei getti (e un lampo di raggi gamma) della durata di decimi di secondo.

Le nuove osservazioni di Levan, Rastinejad e altri si scontrano con questa immagine rapida e pulita delle fusioni di stelle di neutroni. "Non ha alcun senso avere un'esplosione di 10 secondi da un sistema che vive solo una frazione di secondo", ha detto Ore Gottlieb, un astrofisico computazionale del Flatiron Institute che non è stato coinvolto nelle osservazioni.

Una possibilità è che qualcosa di più grande e disordinato delle stelle di neutroni stia emettendo queste esplosioni durature. In particolare, la loro durata più lunga si adatterebbe più naturalmente a una fusione tra una nana bianca – un tipo più grande di cadavere stellare lasciato indietro quando una piccola stella esaurisce il carburante – e un buco nero o una stella di neutroni. Questo scenario si traduce in più materia che circonda un buco nero. Ma non è chiaro se le collisioni che coinvolgono le nane bianche produrrebbero il giusto tipo di lampi di raggi gamma, o addirittura kilonova. "L'intero fenomeno è stato molto meno studiato", ha detto Kasen di Berkeley. "Ci stiamo lavorando proprio adesso."

Un’altra opzione è che i lampi di raggi gamma lunghi non provengano affatto da buchi neri appena nati. Invece, se si scontrano due minuscole stelle di neutroni e la massa risultante ruota abbastanza velocemente, potrebbe resistere per alcuni minuti al collasso in un buco nero. L’oggetto di breve durata sarebbe una stella di neutroni altamente magnetizzata – una “magnetar” – che emetterebbe un lampo di raggi gamma più lungo man mano che la sua rotazione rallentasse. Metzger ha contribuito a delineare questo scenario, ma anche lui lo considera un concetto radicale. "Sono ancora giustamente scettico al riguardo", ha detto.

La possibilità più conservativa, ha detto Metzger, è che le fusioni che coinvolgono stelle di neutroni siano semplicemente più complicate di quanto pensassero gli astrofisici. Durante l'estate, simulazioni dettagliate da una collaborazione guidata da Gottlieb ha suggerito che spesso questo potrebbe essere il caso. In particolare, quando una stella di neutroni leggera incontra un buco nero rotante sufficientemente pesante, la stella di neutroni si muove a spirale e il buco nero la distrugge su centinaia di orbite, lasciando un disco di materiale più pesante che il buco nero impiega decine di secondi per consumare. . Durante la simulazione delle collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri, Gottlieb, Metzger e collaboratori hanno scoperto che dischi più pesanti che guidano lampi di raggi gamma più lunghi erano abbastanza comuni.

In effetti, per ironia della sorte, le loro simulazioni non hanno prodotto le brevi esplosioni spesso osservate con la stessa rapidità con cui hanno prodotto le esplosioni lunghe, sollevando dubbi su cosa esattamente alimenta le esplosioni brevi.

"Non comprendiamo [pienamente] queste cose", ha detto Gottlieb. “Penso che questo sia probabilmente il problema più grande ora.”

Colmare le lacune

Per capire cosa succede veramente quando le stelle morte si scontrano, gli astronomi dovranno raddoppiare i loro sforzi per costruire un catalogo dettagliato dei lampi di raggi gamma, dal momento che quello che presumevano fosse un gruppo di esplosioni principalmente guidate da supernova ora sembra essere confuso con un numero imprecisato di fusioni di stelle di neutroni. Ciò richiederà la caccia alle kilonova – la firma delle collisioni – sia dopo esplosioni lunghe che brevi. Se la distinzione tra lungo e corto persiste, potrebbe essere un segno che esiste più di un modo per preparare una kilonova.

"Stiamo imparando che ogni volta che c'è un evento relativamente vicino, dovremmo provarci", ha detto Rastinejad.

Anche LIGO svolgerà un ruolo fondamentale. L'osservatorio era offline per aggiornamenti durante queste recenti stravaganti esplosioni, ma è attualmente nel bel mezzo della sua quarta corsa in ascolto delle collisioni distanti. Se LIGO riuscisse a captare le onde gravitazionali provenienti da un lungo lampo di raggi gamma, gli scienziati saprebbero se sono coinvolte stelle di neutroni o buchi neri. Ciò consentirà loro anche di escludere le nane bianche, che non rendono le onde gravitazionali rilevabili da LIGO. Le oscillazioni dettagliate delle onde nei futuri osservatori potrebbero persino offrire suggerimenti sul fatto che il prodotto immediato fosse una magnetar o un buco nero.

"[Le onde gravitazionali] saranno davvero l'unica via definitiva da seguire su questa questione", ha detto Metzger.

Percependo i rimbombi gravitazionali delle fusioni di stelle di neutroni e osservando i lampi di raggi gamma e le kilonovae, gli astrofisici potrebbero finalmente raggiungere il loro obiettivo a lungo termine di spiegare completamente l'origine di ogni sostanza nell'universo, dall'idrogeno al platino al plutonio. Per fare ciò, hanno bisogno di sapere quali tipi di fusioni avvengono, quanto è frequente ciascun tipo, quali elementi produce ciascun tipo e in quali quantità, e quale ruolo giocano altri eventi come le supernove. È un'impresa ardua che è solo all'inizio.

"C'è ancora l'obiettivo principale di individuare i siti astrofisici in cui si forma ogni singolo elemento della tavola periodica", ha detto Levan. “Ci sono ancora dei vuoti, quindi pensiamo che questo stia iniziando a colmare molti di questi importanti vuoti”.

Nota dell'editore: il Flatiron Institute è finanziato dalla Simons Foundation, che finanzia anche questa rivista editorialmente indipendente. Né il Flatiron Institute né la Simons Foundation hanno alcuna influenza sulla nostra copertura. Maggiori informazioni disponibili qui.