Svelati i misteri dei lampi di raggi gamma, le esplosioni più potenti dell’universo

Gli scienziati potrebbero aver compiuto un passo in avanti verso la scoperta di come i lampi di raggi gamma diventino alcune delle esplosioni più potenti dell’universo conosciuto. Per fare un esempio, un singolo lampo di raggi gamma, o GRB, può produrre più energia in pochi secondi di quella che il Sole irradierà in miliardi di anni. A causa di questa potenza, gli scienziati teorizzano che i GRB siano creati da alcuni degli eventi più violenti dell’universo. Ciò include cose come le esplosioni di supernova che segnano la morte di stelle massicce e la collisione e la fusione di due stelle di neutroni, che sono stelle “morte” composte dalla materia più densa che conosciamo, così come le esplosioni di piccoli buchi neri.

Tuttavia, aspetti di queste esplosioni rimangono avvolti nel mistero, incluso l’esatto meccanismo che lancia un GRB e cosa causa esattamente un GRB “lungo” che dura più di 2 secondi rispetto a un GRB “corto” che dura meno tempo. Un team di scienziati dell’Università dell’Alabama a Huntsville, ad esempio, ha studiato le emissioni di luce dei lampi di raggi gamma e il modo in cui cambiano nel tempo per modellare meglio queste eruzioni e svelarne finalmente i segreti.

“Nonostante siano stati studiati per oltre cinquant’anni, i meccanismi attraverso i quali i GRB producono luce sono ancora sconosciuti, un grande mistero dell’astrofisica moderna”, ha detto in una nota il leader del team Jon Hakkila, scienziato dell’Università dell’Alabama a Huntsville. “Comprendere i GRB ci aiuta a comprendere alcuni dei meccanismi di produzione della luce più rapidi e potenti utilizzati dalla Natura. I GRB sono così luminosi che possono essere visti in tutta l’ampiezza dell’universo e, poiché la luce viaggia a una velocità finita, ci permettono di vedere indietro fino ai tempi più antichi in cui esistevano le stelle”.

Fare luce sui GRB

Uno dei motivi principali per cui i lampi di raggi gamma sono rimasti così difficili da comprendere è che i modelli teorici per descriverli non sono stati in grado di spiegare il comportamento delle loro curve di luce, che sono grafici che mostrano come l’intensità della luce di un oggetto cambia nel tempo. A complicare ulteriormente la situazione è il fatto che non esistono due curve di luce di GRB esattamente identiche e la durata delle esplosioni può durare da semplici millisecondi a decine di minuti.

Hakkila e colleghi hanno modellato i lampi di raggi gamma come una serie di impulsi energetici, considerando questi impulsi come le unità di base dell’emissione di GRB. “Indicano i momenti in cui un GRB si illumina e successivamente svanisce. Durante il tempo in cui un impulso GRB viene emesso, subisce variazioni di luminosità che a volte possono verificarsi su scale temporali molto brevi“, ha detto Hakkila. “La cosa strana di queste variazioni è che sono reversibili nello stesso modo in cui lo sono parole [palindrome] come ‘kayak'”.

Lo scienziato ha aggiunto che è molto difficile capire come possa avvenire questa reversibilità perché, a differenza delle lettere di una parola, il tempo può essere letto solo in una direzione. “Il meccanismo che produce luce in un impulso GRB produce in qualche modo uno schema di luminosità, quindi successivamente genera lo stesso schema in ordine inverso”, ha detto. “Questo è piuttosto strano e rende i GRB unici”.

Il team si è concentrato sui modelli di GRB prodotti quando i buchi neri (recentemente formati dalla morte di una stella massiccia) emettono getti di particelle che viaggiano a velocità vicine alla luce, o “relativistiche”. “In questi modelli, il nucleo di una stella massiccia morente collassa per formare un buco nero, e il materiale che cade nel buco nero viene fatto a pezzi e reindirizzato verso l’esterno lungo due raggi o getti opposti”, spiega Hakkila. “Il materiale del getto che punta nella nostra direzione viene espulso verso l’esterno quasi alla velocità della luce. Poiché il GRB ha una durata relativamente breve, si è sempre ipotizzato che il getto rimanesse puntato verso di noi durante tutto l’evento. Ma le caratteristiche dell’impulso invertito nel tempo sono state molto difficili da spiegare se provengono dall’interno di un getto che non si muove“.

Per spiegare la natura palindromica delle curve di luce del GRB, il team ha aggiunto il moto laterale ai getti relativistici che esplodono lontano dai buchi neri neonati. “L’idea di un getto che si muove lateralmente fornisce una soluzione semplice con la quale è possibile spiegare la struttura dell’impulso GRB a inversione temporale”, ha continuato Hakkila. “Quando il getto attraversa la linea di vista, un osservatore vedrà la luce prodotta prima da un lato del getto, poi dal centro del getto e infine dall’altro lato del getto. Il getto si illuminerà e poi diventerà più debole quando il centro del getto attraversa la linea di vista, e la struttura radialmente simmetrica attorno al nucleo del getto sarà vista in ordine inverso quando il getto diventa più debole”.

Hakkila ha aggiunto che, in questo “modello balistico dei GRB”, i getti relativistici dei buchi neri spruzzano materiale in un modo simile a una manichetta antincendio che spruzza acqua. Poiché i getti si comportano come un fluido piuttosto che come un solido, ha detto che un osservatore vedrebbe l’intero getto come curvo e non dritto.

La ricerca del team è stata pubblicata su The Astrophysical Journal.