Impressione artistica di un Fast Radio Burst in viaggio verso la Terra. I colori rappresentano il fascio di luce che arriva a diverse lunghezze d’onda nella banda radio. In blu le lunghezze d’onda più corte, che arrivano svariati secondi prima di quelle in rosso, che corrispondono invece a lunghezze d’onda maggiori. Questo effetto si chiama dispersione ed è dovuto al fatto che il segnale radio passa attraverso a del plasma. Crediti: Jingchuan Yu, Planetario di Pechino
I lampi radio veloci, conosciuti come Frb (acronimo di Fast Radio Bursts), sono esplosioni di onde radio molto intense che durano poche frazioni di secondo, provenienti da tutto il cielo e la cui origine è ancora sconosciuta. Il primo Frb è stato scoperto nel 2007, nei dati di archivio dell’osservatorio di Parkes, e a oggi ne sono stati scoperti una cinquantina, tutti di origine extragalattica.
Pochi giorni fa, il 28 aprile 2020, mentre l’umanità era impegnata a combattere un nemico invisibile che ha portato alla chiusura di moltissime attività, tra cui quelle di ricerca nelle strutture osservative (si veda lo speciale telescopi nei giorni del Coronavirus), il radiotelescopio canadese Chime (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), uno strumento progettato specificamente per studiare fenomeni come i lampi radio veloci, ha rivelato qualcosa di molto particolare. In realtà non stava puntando direttamente verso la sorgente oggetto della scoperta ma il segnale è stato così forte da essere ugualmente catturato dal radiotelescopio, per così dire, con la coda dell’occhio. La sua potenza e la sua durata sono state paragonabili a quelle dei Frb osservati fino ad oggi.
Ma che qualcosa si stesse muovendo, in quella regione di cielo, si era visto anche il giorno prima, il 27 aprile, quando lo Swift Burst Alert Telescope aveva rilevato una serie di lampi gamma provenienti dalla stessa zona di cielo, che erano stati associati a un oggetto noto, chiamato Sgr 1935+2154: un cosiddetto Sgr (soft gamma repeater), ossia un oggetto astronomico che emette grandi esplosioni di raggi gamma e raggi X a intervalli irregolari. In particolare, Sgr 1935+2154 è un vecchio residuo stellare che si trova nella Via Lattea, a circa 30mila anni luce di distanza, nella costellazione della Volpetta. Il lampo X è stato osservato anche da telescopi a raggi X terrestri e spaziali, tra cui il nostro piccolo e abilissimo Agile, il satellite tutto italiano, risultato della collaborazione tra Asi, Inaf e Infn, insieme al Cnr e all’industria nazionale.
L’astrofisico Marco Tavani, principal investigator di Agile, che è riuscito a misurare l’evento con il rivelatore a raggi X-duri chiamato Super-Agile
Nessun Frb era mai stato associato a raggi X o gamma, prima. Questa osservazione, se davvero si è trattato di un Frb, ci mostra qualcosa di completamente nuovo, ed è una scoperta che potrebbe aiutare a risolvere uno dei più grandi misteri dell’astronomia. E, come se questo non bastasse a rendere la scoperta speciale, gli astronomi pensano di aver identificato la fonte dell’esplosione. Media Inaf ha raggiunto l’astrofisico Marco Tavani, principal investigator di Agile e coinvolto in prima persona nella scoperta, che ci ha raccontato nel dettaglio com’è andata e perché è così importante.
Cos’è successo esattamente il 28 aprile?
«La scoperta del 28 aprile di emissione X in contemporanea con un fortissimo impulso (doppio) radio della durata di una frazione di secondo dalla magnetar Sgr 1935+2154 è di importanza enorme, poiché ci avvicina alla comprensione dei cosiddetti Fast Radio Bursts (Frb). L’impulso radio ha caratteristiche molto simili agli Frb che attendono una spiegazione: sappiamo che arrivano da sorgenti al di fuori della nostra galassia, ma la natura delle sorgenti ultime del fenomeno è ancora misteriosa. Ora con la rivelazione di un impulso radio associato a un lampo X nella Via Lattea da parte di una stella di neutroni fortemente magnetizzata, appunto la Sgr 1935+2154, è come vedere un po’ di luce alla fine del tunnel per la comprensione degli Frb. Inoltre, è la prima volta che si rivela una breve emissione di raggi X (burst-X) associata al super-impulso radio, e questo fatto sarà di fondamentale importanza per capire il meccanismo di generazione dei Frb».
Una rottura nella crosta di una stella di neutroni altamente magnetizzata, mostrata qui in un rendering artistico, può innescare eruzioni ad alta energia. Crediti: Goddard Space Flight Center/S della Nasa; Wiessinger
Che tipo di sorgente è Sgr 1935+2154?
«È una stella di neutroni nella nostra galassia con un campo magnetico cento volte più intenso di quello delle pulsar normali, e che quindi ruota molto lentamente (il suo periodo di rotazione è di 3.2 secondi) rispetto alle pulsar, poiché ha rallentato molto la sua rotazione proprio a causa del suo campo magnetico molto intenso. Per ragioni non ancora completamente capite, tale sistema, una magnetar, è soggetto a instabilità della sua configurazione magnetica che porta a emissioni X particolari, sequenze erratiche di burst-X a volte molto intensi, che si sovrappongono a una emissione continua X amplificata dalla superficie. La sorgente è stata rivelata nel 2014 per la prima volta, e occasionalmente si “riaccende”. Ora si è riattivata a metà aprile di quest’anno con una sequenza di decine-centinaia di burst-X che diversi satelliti hanno rivelato. Anche se molti dettagli delle magnetar non sono ancora pienamente compresi, è chiaro che si tratta di energia emessa per un’instabilità di tipo magnetico, che si manifesta con fenomeni impulsivi di emissione X che possono durare qualche secondo e con uno spettro di emissione particolare, troncato alle energie superiori ai 400 keV. Prima del 28 aprile, non erano stati rivelati super-impulsi radio associati a burst-X da nessuna magnetar della nostra galassia. Ora la situazione cambia radicalmente».
Quanti eventi avete rilevato e con quali strumenti, a bordo di Agile?
«Agile intorno al 27-28 aprile ha rivelato decine di burst-X dalla Sgr 1935+2154 che sembrano una sorta di “foresta”, quando li si vede in sequenza temporale. Sembrava un’attività “normale” di magnetar, quando poi c’è stata la rivelazione del super-impulso radio il 28 aprile. A quel punto abbiamo subito verificato il tempo di arrivo dell’impulso radio e fatto la scoperta di un burst-X rivelato dallo strumento Agile molto chiaramente in corrispondenza con il segnale radio. Il burst-X dura circa 0.5 secondi e ha uno spettro relativamente di bassa energia X, con nessuna emissione oltre i 100 keV circa. La scoperta è avvenuta con il rivelatore a raggi X-duri detto “Super-Agile”: uno strumento co-allineato con il rivelatore gamma del satellite Agile. Abbiamo cercato il segnale con altri rivelatori del satellite, il Mini-Calorimetro e l’Anticoincidenza attiva, ma non abbiamo rivelato nessun segnale in coincidenza, come conseguenza dello spettro di emissione del burst-X troncato alle alte energie oltre i 100 keV. Le stelle di neutroni magnetizzate sono quindi in grado di emettere super-impulsi radio di qualche decina di millisecondo in coincidenza con burst-X di un tipo che appare diverso rispetto ai burst-X della cosiddetta “foresta”. Infatti il nuovo burst-X è meno intenso e più soft degli altri, probabilmente prodotto da un meccanismo diverso da quelli della “foresta”».
Il satellite Agile, telescopio spaziale interamente made in Italy, in orbita attorno alla Terra, che ha conseguito risultati scientifici fondamentali, tra cui quello di aver rilevato il primo Frb di origine galattica. Crediti: Asi
Perché la scoperta è particolarmente degna di nota?
«È la prima volta che un burst-X è stato rivelato in coincidenza con un super-impulso radio del tipo Frb, e il fatto che sia stato osservato da una stella di neutroni galattica ci offre una “pistola fumante” riguardo alla natura di alcuni Frb, se non di tutti. Molti problemi rimangono per spiegare l’intera popolazione dei Frb, ma almeno possiamo avere un “aggancio” agli Frb più vicini, e in particolare alla sotto-classe degli Frb che si ripetono nei loro impulsi radio. L’impulso radio viene prodotto da accelerazioni impulsive di elettroni e positroni, e la scoperta di emissione X in simultanea con il radio ci pone di fronte a un fenomeno fisico complesso in cui l’accelerazione impulsiva ha caratteristiche molto interessanti e mai osservate in precedenza. Una “palestra” fondamentale per lo studio dei fenomeni di accelerazione e irraggiamento in oggetti astrofisici estremi. Inoltre, l’energetica del fenomeno è particolare. L’energia emessa nel radio è estremamente intensa per un oggetto galattico: ma se ponessimo la Sgr 1935+2154 a distanze grandi, come quelle di alcuni Frb vicini, l’evento radio sarebbe stato solo marginalmente rivelabile dai radiotelescopi più potenti. In termini assoluti, l’energia dell’impulso radio della Sgr 1935+2152 è solo cento volte inferiore a quella degli Frb vicini. Quindi magnetar più potenti potrebbero emettere impulsi radio più potenti, ed essere dunque assimilabili agli Frb che hanno distanze entro 100-200 megaparsec. È quindi ragionevole pensare che magnetar più potenti della Sgr 1935+2154 possano produrre gli impulsi radio che osserviamo in alcuni Frb vicini. Inoltre, l’emissione X offre la possibilità che burst-X siano rivelabili anche dagli Frb vicini. È questa una possibilità di enorme importanza, che è stata già studiata da Agile per gli Frb vicini e che sarà ancora più importante nei prossimi mesi. Astrofisica delle alte energie e radioastronomia italiane si ritrovano quindi vicine nello studio di questi eventi estremi. È importante notare che in Italia i radiotelescopi della Croce del Nord di Medicina e Srt in Sardegna sono coinvolti in queste settimane in osservazioni di Frb vicini e della Sgr 1935+2152 insieme ad Agile: un ottimo modo per lavorare insieme alla comprensione di questi fenomeni affascinanti».
Per saperne di più:
- Leggi l’ATel “AGILE detection of a hard X-ray burst in temporal coincidence with a radio burst from SGR 1935+2154”, di M. Tavani et al.