Due articoli su Nature annunciano un lavoro di squadra perfetto: i telescopi a bordo di due satelliti (il Neil Gehrels Swift Observatory e il Fermi Gamma-ray Space Telescope), le osservazioni dei due telescopi gemelli Magic sulle isole Canarie e centinaia di ricercatori da tutto il mondo hanno unito le forze permettendo di registrare, per la prima volta in assoluto, fotoni ad altissima energia emessi da un lampo di raggi gamma (o Grb, dall’inglese gamma ray bursts), risultato di una potentissima esplosione cosmica nell’ordine dei TeraElettronVolt (ovvero migliaia di miliardi di volte più energetica della luce visibile). Fondamentale per la scoperta, anche in questo caso, è stato il contributo scientifico italiano, con l’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), l’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), l’Agenzia spaziale italiana (Asi) e varie università. Tra queste ultime il dipartimento di fisica e astronomia dell'università di Padova e la sezione Infn di Padova, hanno dato un importantissimo contributo, essendo stati tra i fondatori dell'esperimento Magic, con forti responsabilità nella progettazione, nella realizzazione dei telescopi e nella loro gestione. "A Padova è stata sviluppata anche parte dell'elettronica di acquisizione dati del telescopio ovvero l'elettronica di trigger" ricorda Mosè Mariotti, professore di fisica sperimentale dell'università di Padova, intervistato da Il Bo Live, che di Magic è stato anche portavoce responsabile. "Si tratta di un sistema per selezionare in maniera rapidissima, entro 50 nano secondi, gli eventi di interesse da registrare".

L’evento è stato registrato il 14 gennaio 2019. Era il terzo di quel giorno ed è stato scoperto indipendentemente dai telescopi spaziali Neil Gehrels Swift Observatory e Fermi Gamma-ray Space Telescope. “L'evento mostrava una intensa emissione sia nei raggi X che nella radiazione ottica e questo ci suggeriva si trattasse di un Grb esploso abbastanza vicino e sicuramente interessante.” ha dichiarato Valerio D’Elia dello Space Science Data Center dell’Agenzia Spaziale Italiana e membro della collaborazione Swift.

“L’evento osservato è stato chiamato Grb 190114C e le sue coordinate, che ne identificavano la posizione in cielo tra le costellazioni dell’Eridano e della Fornace, sono state distribuite via internet agli astronomi di tutto il mondo in 22 secondi dal rilevamento dell’esplosione” ha spiegato Francesco Longo, dell’Università e dell’Infn di Trieste e membro delle collaborazioni Fermi e Magic.

I telescopi Magic a luce Cherenkov, ognuno con specchio del diametro di 17 m, situati sull’isola di La Palma, alle Canarie, sono stati concepiti per rispondere rapidamente alle allerte di questo tipo. "Un sistema automatico elabora in tempo reale le allerte Grb dai satelliti e fa in modo che i telescopi puntino rapidamente la posizione in cielo", ha detto Antonio Stamerra dell’Inaf di Roma e co-portavoce della collaborazione Magic. “I telescopi sono stati progettati per puntare rapidamente, nonostante il peso di 64 tonnellate ciascuno, qualsiasi regione di cielo e possono farlo in poche decine di secondi. Nel caso del Grb 190114C, Magic è stato in grado di iniziare l'osservazione circa 30 secondi dopo l'arrivo dell’allerta da parte dei satelliti, cioè circa 50 secondi dopo la rivelazione del fenomeno”.

I telescopi Magic hanno captato per la prima volta i fotoni di più alta energia mai misurati per questo tipo di eventi celesti. Un risultato senza precedenti, che fornisce nuove informazioni fondamentali per la comprensione dei processi fisici in atto nei Grb. Oltre a Magic hanno ricevuto l’allerta anche altri i telescopi terrestri come il telescopio robotico dell’Inaf, Rem, situato in Cile.

Copertina del volume di Nature, dove sono stati pubblicati i due articoli. Rappresento il telescopio Magic. Credit: Gabriel Pérez Díaz, IAC

I lampi di raggi gamma sono brevi ma potenti esplosioni cosmiche che compaiono all'improvviso in cielo, circa una volta al giorno. Scoperti alla fine degli anni ’60, la loro origine è rimasta misteriosa fino alla fine degli anni ‘90 quando grazie al satellite italiano BeppoSAX, è stato possibile identificare con precisione (e quindi osservare con i più potenti telescopi) la regione di cielo in cui si manifestano.

I lampi gamma sono caratterizzati da un flash iniziale molto luminoso nella regione di spettro dei raggi X e gamma, che ha una durata tipica variabile da frazioni di secondo a qualche centinaio di secondi. Il flash è seguito dal cosiddetto afterglow, un processo di emissione ritardato ad altissima energia, osservabile a tutte le lunghezze d'onda che va attenuandosi nel tempo. Grazie a questo secondo impulso è stato possibile osservare e studiare finora qualche migliaio di Grb, per comprenderne tanto l’origine quanto la fisica.

Oggi sappiamo che i lampi gamma sono il risultato dell’esplosione di stelle molto massicce o della fusione di stelle di neutroni in galassie lontane. Ma ancora molto resta da conoscere della fisica che li caratterizza.

I due articoli pubblicati su Nature (“Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C" e "Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst") saranno illustrati nel dettaglio. da alcuni dei protagonisti, in un seminario che si terrà venerdì 22 al dipartimento di fisica. I risultati ottenuti mostrano che i fotoni rilevati da Magic devono avere origine da un processo finora non legato alla radiazione prodotta negli afterglow dei Grb e che è distinto anche dal processo fisico responsabile della emissione dei Grb stessi alle energie più basse. “L'analisi dei dati risultanti per le prime decine di secondi di osservazione rivela l'emissione di fotoni che raggiungono le energie del tera-elettronvolt (TeV), cioè un trilione di volte più energetici della luce visibile.” sostiene Alessio Berti dell’Infn di Torino e responsabile del sistema di allerta della collaborazione Magic, intervistato da Il Bo Live. “Durante questo lasso di tempo, l'emissione di fotoni TeV dal Grb 190114C è stata 100 volte più intensa della sorgente celeste più brillante conosciuta a queste energie: la Nebulosa del Granchio. Tra i vari record registrati dal Grb 190114C c’è dunque anche quello di essere la sorgente più brillante di fotoni conosciuta a queste energie”. Sebbene l'emissione fino alle energie del TeV nei Grb fosse stata prevista in alcuni studi teorici, essa era rimasta finora inosservata nonostante le numerose ricerche svolte negli ultimi decenni con vari strumenti che lavorano a queste energie, tra cui Magic.

I fotoni di altissima energia sono stati osservati da Magic fino a mezz'ora dopo l’esplosione del Grb per cui, grazie sia all’intensità del segnale ricevuto sia alla procedura di analisi dei dati in tempo reale disponibile all’osservatorio, è stato possibile comunicare entro poche ore dall’osservazione alla comunità astronomica internazionale la scoperta del primo inequivocabile rilevamento di fotoni di altissima energia da un Grb. La comunicazione ha messo in evidenza l’importanza dell’evento astronomico e ha dato luogo ad una vasta campagna di osservazioni di follow-up a tutte le lunghezze d’onda del Grb 190114C da parte di oltre due dozzine di osservatori e strumenti dalla banda radio alle energie TeV. Le osservazioni ottiche hanno consentito una misurazione della distanza del fenomeno, esploso in una galassia distante circa 7 miliardi di anni luce da noi.

Marco Tavani dell’Inaf di Roma e responsabile della missione per astronomia gamma Agile è tra coloro che ha osservato l’evento nell’istante dello scoppio e in quelli immediatamente successivi. “L’osservazione alle varie lunghezze d’onda, che coprono tutto lo spettro elettromagnetico dal radio ai raggi gamma, è di fondamentale importanza perché i fotoni che arrivano a noi con energie diverse spesso sono emessi da regioni diverse e trasportano informazioni differenti. In particolare, poter osservare il fenomeno alle energie più alte è da sempre stato un obiettivo della ricerca in questo settore in quanto i fotoni di più alta energia ci portano informazioni dalle regioni più vicine all’origine del fenomeno”.

Tutte le osservazioni effettuate offrono una panoramica multifrequenza molto completa per questo evento e forniscono le prove inequivocabili che l’emissione di alta energia osservata da Magic è originata da un ulteriore, distinto processo di emissione ritardata (afterglow) di altissima energia finora mai osservato: “Dalla nostra analisi, il miglior candidato per spiegare l’emissione di altissima energia è il cosiddetto processo di Compton inverso, in cui i fotoni ricevono l’energia osservata da una popolazione di elettroni di energia ancora più alta che sono stati accelerati dall’esplosione.” spiega Lara Nava dell’Inaf Milano che prosegue: “Viceversa i fotoni di più bassa energia che si osservano nell’emissione ritardata sono originati dal cosiddetto processo di sincrotrone in cui i fotoni osservati sono invece generati dall’interazione tra elettroni e campi magnetici.”

Dopo oltre 50 anni dalla prima scoperta dei Grb, molti aspetti di questo fenomeno rimangono ancora sconosciuti. Tuttavia, uno studio comparativo di tutte le precedenti osservazioni GRB di Magic suggerisce che Grb 190114C non è stato un evento particolarmente singolare se non per la sua relativa vicinanza, e che il successo dell’osservazione si deve alle eccellenti prestazioni dello strumento. "Magic ha aperto una nuova finestra per studiare i Grb" dice Lucio Angelo Antonelli dell’Inaf di Roma e responsabile Inaf presso la collaborazione Magic. "I nostri risultati indicano che siamo sicuramente in grado di rilevare molti più Grb alle energie TeV sia con Magic che con gli strumenti Cherenkov di nuova generazione” sottolinea Antonelli. “Magic ha aperto una strada che sarà sfruttata al meglio dal Cherenkov Telescope Array (Cta). Questo nuovo grande osservatorio internazionale ci porterà ad una comprensione più profonda di queste affascinanti esplosioni cosmiche.” aggiunge Nicola Giglietto dell’Infn di Bari e responsabile Infn presso le collaborazioni Magic e Cta.