Ad intervalli di circa una quindicina di anni nel sistema stellare binario RS Ophiuchi, a 8000 anni luce di distanza dalla Terra, si verificano esplosioni termonucleari che danno origine a una cosiddetta nova: un improvviso aumento di luminosità che, visto dal nostro pianeta, fa pensare all’apparizione di una nuova stella.

La nova situata nella costellazione dell’Ofiuco è tornata a brillare l’8 agosto del 2021 e a rendere eccezionale questa ultima manifestazione (la precedente risaliva al 2006) è stato il fatto che per la prima volta l’evento è stato catturato dai due potenti telescopi atmosferici Cherenkov della collaborazione MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes) che hanno così potuto rivelare un flusso di raggi gamma ad una delle energie più alte mai misurate in una nova. 

I risultati di questa osservazione sono stati pubblicati in un articolo uscito di recente su Nature Astronomy e firmato dal team internazionale di ricercatrici e ricercatori che fanno parte della collaborazione europea Magic, alla quale Padova ha contribuito in modo rilevante sin dalle primissime fasi di progettazione e di costruzione degli strumenti, oltre 20 anni fa.

Ma andiamo con ordine. Alla base di queste esplosioni termonuclerari sulla superficie della nova ci sono le interazioni tipiche di un sistema stellare binario: l'idrogeno prodotto da una gigante rossa finisce per essere catturato dal campo gravitazionale di una nana bianca, stelle con masse simili a quella del nostro Sole giunte al termine della loro vita. In questo modo la stella più piccola assorbe la materia dalla compagna dando luogo ad un processo che, una volta raggiunte temperature e pressioni tali da innescare le reazioni di fusione nucleare, provoca esplosioni ricorrenti con emissioni di alta energia.

Il trasferimento di materiale da una stella ancora attiva a una sua vicina ormai morta viene descritto anche come un fenomeno di vampirismo stellare proprio perché la stella “vampiro” risucchia gran parte della materia della stella con cui fa coppia. 

Ciò che è stato possibile scoprire grazie all'analisi dell'evento RS Ophiuchi 2021 è che le novae sono una nuova classe di sorgenti galattiche di raggi gamma di altissima energia la cui origine va individuata nell'accelerazione dei protoni che compongono i nuclei degli atomi di idrogeno. 

I telescopi Magic, situati sull'isola di La Palma nelle Canarie, sono riusciti ad orientarsi tempestivamente verso la direzione di arrivo del flusso di raggi gamma grazie alle segnalazioni giunte dal rivelatore Large Area Telescope a bordo dell’osservatorio spaziale Fermi della Nasa e dai telescopi dell’High Energy Stereoscopic System (Hess) in Namibia.

In questo modo, come ha spiegato Rubén Lopez-Coto, ricercatore del progetto Fellini della Sezione Infn di Padova e uno dei principali autori dello studio, è stato possibile "individuare in tempo l’eruzione RS Ophiuchi, un evento raro nel cielo dei raggi gamma, poiché rappresenta la luce prodotta da nova più luminosa e con il flusso più elevato di raggi gamma, e quindi più lontana, mai rivelata". 

The MAGIC telescopes detected the 2021 outburst of the nova RS Oph in very-high-energy gamma rays. Analysis of the emission provides evidence for the acceleration of protons within the nova shock. https://t.co/k6dKXQjmc1 pic.twitter.com/xQlJhb8T7D

— Nature Astronomy (@NatureAstronomy) April 14, 2022

Le rivelazioni di Magic sono state inoltre rafforzate dalle osservazioni di altri strumenti operanti in differenti lunghezze d’onda: l'evento RS Ophiuchi 2021 è così diventato il primo del suo genere a essere studiato sia dalla Terra che dallo spazio in un così ampio spettro di energia.

Abbiamo ripercorso gli aspetti principali di questa scoperta e le tappe che hanno portato all'avvio della collaborazione Magic insieme ad Alessandro De Angelis e Mosè Mariotti, due degli autori dello studio che fanno parte del team con cui la sezione di Padova dell’Infn e il dipartimento di Fisica e astronomia dell’ateneo patavino hanno dato un contributo di primo piano all'intera collaborazione.

"E’ una scoperta importante perché testimonia il fatto che le novae sono emettitrici di particelle di altissima energia e probabilmente acceleratori di raggi cosmici", ha spiegato De Angelis, parlando a Il Bo Live direttamente dal Museo Giovanni Poleni che propone un vero e proprio “viaggio nel tempo” nella storia della fisica.

Ordinario di Fisica sperimentale all'università di Padova, membro dell’Infn e dell’Inaf con collaborazioni al Cern di Ginevra e ad alcuni tra gli esperimenti più importanti per lo studio dei raggi cosmici, De Angelis ha ricordato che "la prima osservazione di un raggio cosmico di alta energia dall’atmosfera è stata fatta proprio a Padova nel cortile del dipartimento di Fisica da Bruno Rossi" e che del fenomeno delle novae, il cui nome è stato coniato nel 1572 dall’astronomo danese Tycho Brahe, "aveva parlato anche Galileo nel Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo".

Mosè Mariotti, docente del dipartimento di Fisica e astronomia e ricercatore Infn della sezione di Padova, ha ricoperto per due anni anche il ruolo di spokesman dell'esperimento Magic e ci ha mostrato in dettaglio alcune parti dei due telescopi gemelli, come gli specchi e i fotomoltiplicatori contenuti all'interno della camera. "Li abbiamo costruiti direttamente noi scienziati che volevamo fare la misura e soprattutto tanti studenti che sono cresciuti conoscendo nel dettaglio esattamente lo strumento. Questi telescopi sono così particolari che non esiste un ingegnerizzazione: abbiamo dovuto fabbricarli a casa".

Cosa sono le novae e cosa è stato scoperto durante l'evento RS Ophiuchi 2021

"Noi oggi sentiamo molto parlare di super novae: sono delle stelle che esplodono dopo la loro morte. Le novae invece sono dei fenomeni spesso ricorrenti a cui si assiste quando c’è un sistema binario di stelle, quindi due stelle che ruotano una intorno all’altra. Circa un terzo delle stelle sono sistema binari e quello che accade è che se una delle due è un oggetto compatto può risucchiare gravitazionalmente parte della materia dell’altra e quindi vampirizzarla. Il materiale accelera verso l’oggetto più denso e mentre accelera può innescare delle esplosioni termonucleari", introduce Alessandro De Angelis, professore di Fisica sperimentale all'università di Padova.

Queste esplosioni producono un tale aumento di luminosità da far sembrare che nel cielo si sia acceso un nuovo astro. "Dalla Terra noi quindi vediamo una stella nuova e per questo il fenomeno ha il nome di nova. Gli antichi hanno dedicato molto tempo a capire di che cosa si trattasse e solo da pochi anni si è capito quale meccanismo ne è alla base".

"Si tratta di qualcosa di spettacolare: per esempio - continua De Angelis - quella stella di cui parliamo adesso era invisibile a occhio nudo e poi di colpo ha assunto una luminosità tale da renderla apprezzabile anche senza alcuno strumento". Andando maggiormente nel dettaglio - spiega Inaf - la stella è passata di colpo dall’abituale magnitudine 12 a meno di 5 (più la magnitudine è bassa, più una stella è luminosa) ed è diventata all’improvviso visibile a occhio nudo.

"Inoltre è stato possibile vedere dei raggi gamma di altissima energia e l’indicazione che ci sono dei raggi cosmici che vengono accelerati. Queste particelle vengono accelerate dalle esplosioni termonucleari che avvengono sulla superficie della nova e poi arrivano sulla Terra. Da queste particelle, che vengono studiate da molto tempo con gli strumenti più vari, noi riusciamo a capire molti dei meccanismi di altissima energia dell’universo", spiega il docente. 

I telescopi Magic

A rendere possibile la scoperta è stata la sensibilità unica dello strumento Magic. Sono due telescopi a luce Cherenkov di circa 17 metri di diametro e concepiti per rispondere rapidamente alle allerte davanti a fenomeni che avvengono in qualsiasi regione di cielo. All'inizio del 2019, come spiegava Francesco Suman sul nostro giornale, erano già riusciti a catturare 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). 

Era così stata aperta una nuova era per l'astronomia gamma e l'avventura adesso continua con nuove importanti scoperte. "I due telescopi - spiega Mosè Mariotti non guardano un oggetto celeste ma quello che succede nell’atmosfera. Immaginate che questi raggi gamma ad altissima energia che arrivano sulla Terra in realtà impattano sull’atmosfera e fanno una piccola scia, come una stella cadente. Questi telescopi raccolgono la luce di questa scia che però invece di durare qualche secondo dura un miliardesimo di secondo nel tempo. Questi sono quindi dei telescopi speciali fatti apposta per vedere questi piccoli lampi che arrivano dal cosmo e che sono sostanzialmente generati dall’atmosfera".

La collaborazione europea dell'esperimento Magic vede l’Italia impegnata con un ruolo di primo piano attraverso i contributi dell’Istituto nazionale di astrofisica, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare, dell'Agenzia spaziale italiana e di molte università. Tra queste ultime il dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova e la sezione Infn di Padova, hanno svolto un ruolo centrale essendo stati tra i fondatori dell'esperimento con forti responsabilità nella progettazione, nella realizzazione dei telescopi e nella loro gestione. 

"Quando alla fine degli anni ’90 abbiamo avuto l’idea di realizzare questo tipo di strumenti - ricorda Mariotti - Padova è stata una delle istituzioni che non solo li ha progettati ma si è messa a costruirli: avevamo proprio il mandato di costruire tutta la superficie ottica, tutti gli specchi. Questi telescopi hanno una superficie riflettente di 250 metri quadrati, una dimensione che per molto tempo è stato un record".

All'inizio della raccolta dati, nel 2003, il telescopio era uno solo ma poi qualche anno più tardi gli è stato affiancato un secondo strumento "perché - osserva il docente del dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova - con la doppia fotografia eravamo in grado di avere delle immagini così pulite da riuscire a determinare con grande precisione direzione ed energia dell’evento gamma. Poi c’è una cosa un po’ complicata che consiste nel pulire questi dati dai tanti segnali rappresentati dai raggi cosmici". 

Ma cosa possono rivelarci queste energie gamma che sono un miliardo di volte più elevate di quella della luce del sole? "Questi raggi gamma - risponde Mariotti - diventano testimoni di eventi estremamente difficili da riprodurre in laboratorio. Parliamo infatti di energie prodotte in condizioni di gravità e di energie particolarmente elevate, in prossimità di buchi neri o in grandi esplosioni di supernovae".

"E’ quindi un modo per guardare il cosmo andando a vedere una particolarità, un ramo di energia che ci porta informazioni complementari che, in questa nuova astronomia multi-messaggera, ci permettono di rivelare la natura di questi emettitori, sorgenti di raggi gamma come l’esplosione ricorrente di questa nova", conclude Mariotti.  

Nonostante l’emissione di raggi gamma da RS Ophiuchi abbia fornito la prima prova convincente dell’accelerazione dei protoni nelle novae, non è ancora chiara - precisa l'Infn - quale sia la natura del corpo stellare oggetto della "vampirizzazione".

“Ancora non sappiamo se l’evento osservato sia correlato alla particolarità di avere una stella gigante rossa come stella compagna della nana bianca, o piuttosto a una proprietà più generale di tutte le novae. Ulteriori osservazioni di novae con i telescopi Cherenkov ci permetteranno di rispondere a questa domanda”, ha affermato al riguardo Riccardo Paoletti, docente dell’università di Siena e responsabile nazionale della collaborazione Magic per l’Infn.

Sarà un'ulteriore sfida da affrontare per questa nuova astronomia multi-messaggera che può contare adesso contare su strumenti sempre più sofisticati.

@MAGICtelescopes rileva raggi gamma a alta energia da RS Ophiuchi, nova che genera esplosioni a intermittenza. Su @NatureAstronomy, lo studio mostra per le nove un ruolo nella radiazione cosmica. Partecipazione italiana con @mediainaf/@INFN_LNFhttps://t.co/fjYQWrsrlG @NuceraGius pic.twitter.com/sCx273RHDP

— Agenzia Spaziale ITA (@ASI_spazio) April 15, 2022