Immagine artistica del satellite Swift che, in orbita dal 2004, sta permettendo agli astronomi di compiere enormi progressi nelle conoscenze relative ai lampi gamma. (Spectrum and NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet)

Grazie al satellite Swift e al Telescopio Nazionale Galileo è stato possibile scoprire l'oggetto più distante dell'Universo: un lampo gamma (GRB090423) a circa 13 miliardi di anni luce da noi 

Circa una volta al giorno si accende, del tutto imprevedibile nello spazio e nel tempo, una breve ed intensa emissione di radiazione elettromagnetica di alta energia (tipicamente nella banda “gamma” dello spettro elettromagnetico). Il fenomeno è conosciuto con il nome di lampi gamma (dall’inglese Gamma Ray Burst, GRB); la loro durata può variare da una frazione di secondo a pochi minuti. La loro distribuzione in cielo è isotropa, non provengono cioè da direzioni specifiche. Sono originati da violenti fenomeni astrofisici in grado di rilasciare quantità incredibili di energia (spesso di gran lunga superiore a quella irraggiata dalla galassia che li ospita e paragonabile alla luce di miliardi e miliardi di stelle come il Sole). In astronomia si è soliti catalogarli utilizzando la sigla GRB seguita da tre coppie di cifre che indicano l’anno, il mese ed il giorno della scoperta (per esempio GRB020405, è il lampo esploso il 5 aprile del 2002). Solo se nello stesso giorno avvengono più lampi, allora alla normale terminologia viene aggiunta una lettera dell’alfabeto che ne caratterizza l’ordine consecutivo di scoperta (“A” per il primo, “B” per il secondo,  “C” per il terzo e così via).

La loro scoperta  risale al lontano 1967, nel mezzo della guerra fredda, quando i satelliti spia americani della serie Vela, in orbita per tutelare il trattato tra USA e URSS che sanciva il divieto di test nucleari nell’atmosfera, individuarono segnali  gamma di origine astrofisica.

La scoperta venne pubblicata solo nel 1973, con un articolo apparso sull’Astrophysical Journal, una delle più importanti riviste nel campo dell’astrofisica, ma si dovettero attendere ancora parecchi anni per fare chiarezza su tale fenomeno.

Tra il 1991 ed il 2000 l’esperimento Burst And Transient Source Experiment (BATSE), a bordo del satellite Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) della NASA, ha registrato più di 2700 eventi con un tasso di rivelazione di circa un lampo gamma al giorno.

Le osservazioni di BATSE sono servite a confermare ciò che era intuito sin dall’inizio, ovvero la distribuzione altamente isotropa nello spazio. Prima della messa in orbita di BATSE, la scala delle distanze dei GRB era totalmente sconosciuta e gli astronomi erano divisi in quelli che sostenevano l’origine galattica ed in quelli che, al contrario, sostenevano l’origine extragalattica (quest’ultima trova un’ovvia giustificazione nell’isotropia osservata da BATSE). All’epoca, tuttavia, mancavano riscontri di controparti ad energie minori del gamma, in particolare nell'ottico, da cui fosse possibile ricavare ulteriori informazioni circa la distanza (per poter discriminare, in via definitiva, le due ipotesi) e l’energia rilasciata. Nessun satellite era in grado di ricostruire la posizione dei GRB nel cielo con un’accuratezza tale da poterli associare ad oggetti astronomici di cui si potessero osservare le controparti alle altre lunghezze d’onda. Da qui sorgeva la difficoltà a ricondursi a pochi modelli teorici che potessero fornire delle risposte convincenti alle caratteristiche osservate.

Inoltre, grazie ai dati raccolti da BATSE, gli scienziati hanno evidenziato l’esistenza di due classi distinte di GRB: quelli “lunghi” che durano da due a più di mille secondi e quelli “brevi”, con durata compresa tra qualche decina di millesimi di secondo e circa due secondi. Entrambi gli eventi presentano lo stesso livello di isotropia nel cielo e in generale più il burst è breve, più il suo spettro è duro, ovvero caratterizzato da una maggiore emissione alle alte energie.

La svolta nello studio dei lampi gamma si è avuta con il satellite italo-olandese BeppoSAX (dal soprannome del fisico Giuseppe Occhialini, pioniere dell’astronomia nei raggi X) che ha permesso di risolvere il problema della precisione sulla posizione in cielo utilizzando un rivelatore di raggi gamma (Gamma Ray Burst Monitor, GRBM) in combinazione con un rivelatore X a campo largo (costituito da due Wide Field Camera, WFC) in grado di localizzare una sorgente con buona precisione.

Quando in coincidenza temporale con un evento rivelato dal GRBM si vedeva comparire una nuova sorgente X in uno dei due rivelatori WFC, allora era possibile ricostruire la posizione in cielo. Questa veniva immediatamente distribuita all’intera comunità scientifica e BeppoSAX, nel giro di alcune ore, puntava nella direzione del GRB, per seguirne la sua evoluzione, i suoi telescopi X, i Narrow Fields Instruments (NFI) aventi un campo di vista di circa 1 grado e precisione dell’ordine dell’arcominuto nella localizzazione della sorgente X.

Questo tipo di ricerca ha condotto alla scoperta di controparti ad energie inferiori al gamma. Il 28 febbraio 1997, infatti, l’esplosione di un lampo gamma ha permesso di compiere una svolta importante nella ricerca di tali transienti (gli astronomi definiscono transienti tutte le sorgenti la cui radiazione varia in maniera rapida e/o non periodica.).

Il GRB970228, fu rivelato sia nel GRBM che in una delle WFC e grazie al piccolo cerchio di errore associato alla sua posizione stimato sulle immagini della WFC si è riusciti a localizzare con gli NFI, in un lasso di tempo di circa 8 ore, quella che è risultata essere la prima controparte X di un GRB. Qualche giorno dopo fu individuata anche la controparte ottica da osservazioni effettuate indipendentemente al William Herschel Telescope (WHT), situato alle Canarie, e al telescopio “G.D. Cassini” di Loiano (Bo), e visualizzata da una debole sorgente puntiforme. Tali emissioni, che seguirono l’evento gamma, a lunghezze d’onda maggiori ed in diminuzione con il trascorrere del tempo, vennero indicate con il termine inglese di afterglow (letteralmente post-brillamento).

Lo studio degli afterglow risulta di fondamentale importanza per comprendere, attraverso lo studio del tipo di emissione che li caratterizza, il processo con cui viene prodotta la radiazione.

Quelli ottici inoltre permettono l’individuazione della galassia ospite, e attraverso le osservazioni spettroscopiche, di misurare il redshift; tale valore fornisce la misura di quanto la luce di un oggetto è stata “stirata” dall’espansione dell’Universo, e quindi della sua distanza.

Grazie a BeppoSAX e alle prime misure di redshift si è potuto definitivamente confermare lo scenario cosmologico.

Negli anni, diversi sono stati i satelliti progettati per studiare i GRB e dal novembre 2004, è in orbita il satellite Swift che ha praticamente portato lo studio di questo fenomeno in una nuova era.

Il satellite è stato realizzato ed è gestito grazie ad una collaborazione tra centri di ricerca americani, inglesi e italiani (l’Agenzia Spaziale Italiana e l’Osservatorio di Brera). I meriti principali di Swift sono essenzialmente:

• aver rilevato parecchi GRB ad alto redshift con distanze paragonabili a quelle della galassie e dei quasar più lontani che si conoscano;

• aver scoperto gli afterglow anche per i lampi gamma brevi; nessun altro satellite prima di Swift era stato in grado di individuarli.

La curva di luce del GRB090423 nella banda 0,3-10 keV. Si vede nelle fasi iniziali il brusco innalzamento della luminosità associato al lampo gamma. (INAF)

Una volta esaminate le caratteristiche generali dei GRB, resta da chiedersi cosa dia vita al lampo gamma stesso. Attualmente, nella comunità scientifica che si occupa del fenomeno, c’è un generale accordo sull’origine dei lampi lunghi: si ritiene siano associati alla esplosione di stelle massicce in un tipo di supernova particolarmente violenta (detta ipernova).

Il 23 aprile di quest'anno Swift ha colto un lampo gamma (il GRB090423) grazie allo strumento di bordo sviluppato per questo scopo, il BAT, Burst Alert Telescope. Il lampo gamma ha avuto una durata di circa 10 secondi nei quali è stata emessa 100 volte più energia di quanto il Sole faccia nella sua intera vita (di circa 9 miliardi di anni)

Grazie a questa prima rilevazione il satellite ha immediatamente ripuntato gli altri telescopi di bordo verso la zona di cielo in cui è esploso il lampo gamma. Iniziano così le osservazioni sia il telescopio per i raggi X, XRT, realizzato in parte dall'Osservatorio di Brera-Milano dell’INAF, sia quello  che osserva la radiazione visibile ed ultravioletta (UVOT). In questo modo gli astronomi hanno localizzare con precisione il punto in cui era scoppiato il lampo gamma in modo tale da attivare le osservazioni con i telescopi a Terra con il compito di continuare le osservazioni nelle lunghezze d’onda della luce visibile. Al momento dello scoppio del GRB090423,  potevano essere puntati solo i telescopi del Nord America e delle Hawaii, poiché in quel momento in quei luoghi era notte. Gli strumenti iniziano ad acquisire dati osservatvi, ma quello che si osserva è solo una debole sorgente visibile nell’infrarosso, un possibile indizio che la stessa sorgente è veramente molto lontana.
La notte arriva finalmente anche nelle Canarie, dove l’Italia possiede il Telescopio Nazionale Galileo, TNG. In Italia, inoltre, c’è da anni una rete di astrofisici (denominata CIBO), organizzata per seguire e studiare questi affascinanti fenomeni in tempo reale (attiva anche, se necessario, nel cuore della notte). Appena ricevuto l’allarme in automatico da Swift, gli astronomi chiedono di osservare il lampo gamma con il TNG, sconvolgendo il piano osservativo programmato per quella notte. Il direttore, il dott. Emilio Molinari accettando la proposta di osservazione degli astronomi italiani, avvia la ricerca che viene sapientemente coordinata dall'astrofisico Paolo D'Avanzo (INAF-Osservatorio di Brera e dell’Università di Milano-Bicocca), con la collaborazione dei colleghi di Brera, Bologna, Roma e delle Canarie. L'osservazione viene effettuata utilizzando il prisma di Amici (dal nome del fisico che lo mise a punto), e i dati acquisiti al TNG vengono man mano trasferiti in Italia, dove sono analizzati da un gruppo di ricercatori presente per tutta la notte nella sede di Merate dell’Osservatorio di Brera. Già nel mattino del 24 aprile appare evidente che i dati raccolti dal “Galileo” rivelavano un risultato di tutto rilievo; l’analisi spettrale della luce della sorgente, infatti, mostra al team indizi indicanti che la radiazione emessa proviene da un oggetto molto distante, più di qualsiasi altro mai osservato fino ad ora. Col passare delle ore altri astrofisici della rete nazionale CIBO e Swift si uniscono ai ricercatori di Merate per raffinare l'analisi dei dati e confermare il risultato che era stato ottenuto. Nel pomeriggio gli astronomi giungono al risultato finale: l'esplosione osservata si trovava ad un redshift z = 8.1, corrispondente a più di 13 miliardi di anni luce di distanza da noi e quindi l'esplosione è avvenuta soltanto dopo circa 600 milioni di anni dal Big Bang. Il GRB090423 è quindi l’oggetto celeste più distante mai osservato finora. Senza dubbio un vero e proprio record nell'astrofisica...ma quanto durerà? A quanto il prossimo burst? I vivissimi complimenti a tutti i ricercatori coinvolti nell'eccezionale scoperta.