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Emissioni radio dallo spazio profondo ci sveleranno di cosa è fatto l’Universo

Reading Time: 7 minutes

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livello difficile

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ARGOMENTO: ASTRONOMIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA

parole chiave: Magnetar, stelle a neutroni
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Recentemente una notizia alquanto curiosa ha fatto il giro sulle riviste scientifiche che si occupano di astronomia e astrofisica. Il 28 aprile 2020, una stella di neutroni, ovvero una stella “compatta” formata da materia degenere (uno stato particolare della materia caratterizzato da una densità elevatissima) e costituita da neutroni mantenuti insieme dalla forza di gravità ha avuto un comportamento quanto meno singolare. 

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Illustrazione di un potente lampo di raggi X emesso da una magnetar. Un’esplosione radio simile è stata rilevata il 28 aprile 2021 da una magnetar chiamata SGR 1935. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA/Chris Smith (USRA)

Questo tipo di stelle sono dotate di un enorme campo magnetico, miliardi di volte quello terrestre e vengono tecnicamente chiamate magnetar, per magnetic star. La cosa straordinaria è che questa stella ha emesso simultaneamente una grande quantità di raggi X ed emissioni elettromagnetiche. L’esplosione è stata preceduta da un primo lampo radio veloce (fast radio bursts – FRB), un evento, mai osservato nella nostra galassia, che ha dimostrato che anche le magnetar possono produrre misteriose e potenti emissioni radio, precedentemente viste solo in altre galassie.

Cerchiamo di capire meglio
Una magnetar è un tipo di stella di neutroni isolata, immaginiamola come i resti frantumati di una stella delle dimensioni di una città ma con una massa molto più grande del nostro Sole. Ciò che la rende così speciale è il suo campo magnetico che può essere miliardi di volte quello terrestre. A causa del suo decadimento una magnetar genera intense emissioni elettromagnetiche, in particolare raggi X, gamma e (molto raramente) anche radiofrequenze che possono essere rilevati dai radiotelescopi terrestri e satellitari.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è wind__1.jpgLa porzione a raggi X delle raffiche sincrone è stata rilevata da diversi satelliti, incluso il Global Geospace Science (GGS) Wind, una sonda scientifica della NASA che era stata lanciata il 1 novembre 1994 per studiare le onde radio e il plasma che si rilevano nel vento solare e nella magnetosfera terrestre.

Le emissioni radio sono state invece registrate dal Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), un radiotelescopio situato presso il Dominion Radio Astrophysical Observatory nella British Columbia, che viene utilizzato dalla McGill University di Montreal, dall’Università della British Columbia e dall’Università di Toronto. Parliamo di strutture ingegneristiche significative che ascoltano e registrano le variazioni energetiche dagli spazi profondi. 

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Questa veduta aerea mostra il Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), un radiotelescopio situato presso il Dominion Radio Astrophysical Observatory nella British Columbia. Credito: Richard Shaw/UBC/CHIME

Il burst radio è stato rilevato anche dal Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2 (STARE2), un altro progetto finanziato dalla NASA, composto da un tre stazioni situate in California e nello Utah e gestito dal Caltech e dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California. E’ stato proprio STARE 2 a determinare che l’energia dell’esplosione era paragonabile a quella tipica dei FRB.

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I Fast Radio Burst (FRB) durano solo un millisecondo ma contengono tanta energia quanto decine di milioni di soli. Il flusso di elettroni ed altre cariche crea un enorme campo magnetico e onde radio ad altissima frequenza 

Il giorno prima, il 27 aprile 2020, l’Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA aveva individuato un nuovo ciclo di attività da una magnetar chiamata SGR 1935, situata nella costellazione della Volpetta (in latino Vulpecula, abbreviata in Vul), una debole costellazione settentrionale situata al centro del Triangolo Estivo, un asterismo formato dalle stelle Deneb, Vega e Altair che abbiamo già conosciuto in un altro articolo.

In parole semplici l’evento, avvenuto ad aprile del 2020, è consistito in una tempesta di lampi a raggi X, ciascuno della durata di meno di un secondo. La tempesta, che ha infuriato per ore, è stata rilevata in vari momenti da Swift, dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA e dal NICER, un telescopio a raggi X montato sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Circa 13 ore dopo che la tempesta si era calmata, quando la magnetar era ormai fuori vista per Swift, Fermi e NICER, iniziò una forte emissione di raggi X, un’esplosione che fu registrata dalla missione INTEGRAL dell’Agenzia Spaziale Europea, dal satellite Huiyan della China National Space Administration e dalla strumentazione Konus in dotazione a Wind. Quando l’emissione di raggi X, della durata di mezzo secondo, si verificò, CHIME e STARE2 rilevarono un lampo radio della durata di solo un millesimo di secondo.

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STARE2 è una serie di tre rilevatori radio situati in California e Utah. Questa immagine mostra quello situato presso il complesso di comunicazioni Goldstone Deep Space nel deserto del Mojave in California.  Crediti: NASA/JPL-Caltech

Il lampo radio è stato molto più luminoso di qualsiasi cosa avessimo visto prima, quindi abbiamo subito capito che si trattava di un evento entusiasmante“, ha affermato Paul Scholz, ricercatore presso il Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics dell’Università di Toronto e membro del CHIME /FRB Collaborazione. “Abbiamo studiato le magnetar nella nostra galassia per decenni, mentre gli FRB sono un fenomeno extragalattico le cui origini sono rimaste un mistero. Questo evento mostra che i due fenomeni sono probabilmente collegati”. I documenti della collaborazione CHIME/FRB e del team STARE2 sono stati poi pubblicati il ​​4 novembre 2020 sulla rivista Nature.

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Illustrazione di un segnale del lampo radio e della galassia ellittica da cui ha avuto origine (Credit: David Kaplan/Dawn Erb)

Dove è avvenuto?
La distanza di SGR 1935 non è ancora stata determinata, con stime che vanno da 14.000 a 41.000 anni luce. Supponendo che si trovi all’estremità più vicina di questo intervallo, è stato valutato che la porzione di raggi X delle esplosioni simultanee registrate, abbia trasportato tanta energia quanta ne produce il nostro Sole in un mese. In parole semplici, il burst radio di SGR 1935 è stato migliaia di volte più luminoso di qualsiasi emissione radio delle magnetar conosciute nella nostra galassia. Se questo evento si fosse verificato in un’altra galassia, sarebbe stato indistinguibile da alcuni degli FRB più deboli osservati.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è frb.jpg

SGR 1935+2154: spettri dinamici e serie temporali mediate in banda di modelli burst. Credito: Scholz et al., 2020. da Phys.org

Le esplosioni viste da NICER e Fermi durante la tempesta sono chiaramente diverse nelle loro caratteristiche spettrali da quelle associate all’esplosione radio“, ha affermato George Younes, ricercatore della George Washington University di Washington. “Attribuiamo questa differenza alla posizione del bagliore di raggi X sulla superficie della stella, con il lampo associato a FRB che probabilmente si è verificato vicino al polo magnetico. Questa potrebbe essere la chiave per comprendere l’origine dell’eccezionale segnale radio”.

Inoltre, l’impulso radio è arrivato durante un’emissione di raggi X, cosa che non era mai stata osservata prima in associazione con dei FRB. Nel loro insieme, le osservazioni suggeriscono che SGR 1935 abbia prodotto l’equivalente della Via Lattea di un FRB. Per una prova inconfutabile della connessione magnetar, i ricercatori ricercano ora un FRB al di fuori della nostra galassia che coincida con un lampo di raggi X dalla stessa fonte. Questa combinazione potrebbe essere possibile solo per le galassie a noi vicine, motivo per cui CHIME, STARE2 ed i satelliti della NASA continueranno a monitorare lo spazio lontano.

Perché è importante?
Tutto è legato ad una domanda alla quale non siamo ancora in grado di dare una risposta: di cosa è fatto l’Universo?  La teoria più accreditata è che l’universo sia costituito, in maniera molto approssimativa, da energia oscura (68%) e da materia (oscura 27% e ordinaria 5%).

Le misurazioni attraverso i radiotelescopi ci permettono però di valutare solo la metà della materia ordinaria mentre il resto sfugge alle osservazioni (non a caso viene definito “materia mancante”). Un aiuto agli astrofisici proviene dall’osservazione di queste emissioni radio FRB, caratterizzate da fenomeni di dispersione che si manifestano nel transito con una diminuzione della frequenza iniziale. Inizialmente i lampi hanno infatti una frequenza più elevata, e poi nel cammino questa si riduce, a causa dell’attraversamento della materia ordinaria. Viene da se che misurando il segnale e l’attenuazione della sua frequenza è possibile quindi valutare la quantità di materia nel percorso. In pratica, nel suo lungo cammino avviene un fenomeno fisico ben noto, il cosiddetto redshift o spostamento verso il rosso della frequenza del segnale. In parole semplici un redshift fornisce un apprezzamento dell’aumento della lunghezza d’onda del segnale, che fisicamente corrisponde ad una diminuzione della frequenza. Questo ci permette anche di calcolare la distanza della sorgente di emissione e di “valutare” quindi la materia ordinaria presente sul percorso. Tutto questo in un lampo dallo spazio profondo. La ricerca continua.

 

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1 commento

  1. Francesco Brecciaroli Francesco Brecciaroli
    08/07/2021    

    Articolo molto interessante! Presuppone qualche conoscenza di fisica della materia e di astrofisica, ma è affascinante per capire un poco come e’ fatto il nostro Universo e quante cose ancora dobbiamo capire!

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