Osservazione Raggio Gamma GRB 171205A, il lavoro del team guidato da Luca Izzo

In uno studio pubblicato sulla rivista Nature, un gruppo di astronomi guidato dall’italiano Luca Izzo dell’Instituto de Astrofísica de Andalucía e associato INAF presso l’Osservatorio di Capodimonte, riporta l’osservazione di GRB 171205A, uno dei più vicini lampi di raggi gamma (o GRB, dall’inglese gamma ray burst) mai osservati, associato alla supernova SN 2017iuk. Il team, di cui fanno parte numerosi ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), è riuscito a osservare, per la prima volta, l’interazione tra il getto responsabile dell’emissione ad alta energia osservata nei raggi X e gamma, con gli strati più esterni della stella progenitrice. Tale interazione altera la struttura del getto che inizia a “gonfiarsi” generando un involucro, chiamato “bozzolo” (o cocoon, in inglese) caratterizzato da velocità di espansione di circa 100 mila km/s, mai osservate fino ad ora in nessun tipo di supernova. Questa scoperta potrebbe spiegare perché alcune ipernovae non sono associate a GRB.
I lampi di raggi gamma sono eventi catastrofici, le esplosioni più energetiche e violente dell’universo dopo il Big Bang: nell’arco di poche decine di secondi emettono un’energia equivalente a quella prodotta da tutte le stelle nell’Universo. Questa enorme luminosità trae origine da una emissione potentissima (denoinata jet o getto) che permette di accelerare particelle a velocità relativistiche producendo radiazione che si estende per tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio fino ai raggi gamma.
I GRB lunghi sono associati ad una particolare classe di esplosioni di Supernovae, chiamata ipernova di tipo Ic. Nel materiale espulso espulso da questi eventi non è presente idrogeno, ma quantità significative di elementi chimici più pesanti, come come calcio, silicio e ferro, espulsi a velocità dell’ordine di 20-30 mila km/s. Una stella di almeno 30 masse solari, giunta alla fine del suo ciclo evolutivo, collassa su se stessa, così da formare una stella di neutroni o un buco nero. Allo stesso tempo due getti di materia vengono espulsi dai poli del residuo stellare. Questi getti riescono a “perforare” l’interno della stella fino agli strati più esterni, producendo radiazione di tipo gamma. Gli strati esterni della stella vengono così espulsi , generando l’emissione di ipernova, circa 10 volte più energetica di una tipica supernova.
“Questo lavoro ci ha permesso di trovare alcune delle tessere mancanti del mosaico, attraverso l’identificazione di un’ulteriore componente di emissione: un bozzolo (cocoon) molto caldo che si forma attorno al getto mentre si propaga attraverso gli strati più esterni della stella progenitrice del GRB”, sottolinea Luca Izzo, primo autore della ricerca. “Il jet trasferisce una parte significativa della sua energia totale al bozzolo e solo se riesce a perforare completamente la fotosfera della stella produrrà la tipica emissione in raggi gamma che conosciamo tutti come un GRB”, aggiunge.
Il telescopio spaziale Swift ha osservato il lampo di raggi gamma GRB 171205A nel dicembre del 2017 in una galassia distante circa 500 milioni di anni luce da noi. Si tratta del quarto GRB più vicino tutt’ora conosciuto. “Supernovae e GRB così vicini non sono molto frequenti, in media ne osserviamo una ogni 5 anni”, specifica Antonio de Ugarte Postigo, secondo autore della ricerca anche lui ricercatore presso l’IAA “e quindi abbiamo iniziato immediatamente una campagna osservativa dedicata al monitoraggio di questo evento allo scopo di cogliere il prima possibile l’emissione dall’ipernova emergente”.
I dati sono stati raccolti con il telescopio da 10.4 metri GranTeCan a La Palma, Spagna, e con il VLT dell’ESO in Cile. “Queste osservazioni hanno rivelato immediatamente qualcosa di insolito: una componente in espansione con velocità incredibilmente elevate e una composizione chimica completamente differente da quanto normalmente osservato nelle fasi iniziali delle associazioni GRB/Supernova fin qui studiate. Non stavamo osservando una Supernova”, conclude Massimo Della Valle, ricercatore dell’INAF presso l’Osservatorio Astronomico di Capodimonte, a Napoli.
La composizione chimica anomala e le velocità di espansione elevate erano compatibili con le stime teoriche sull’esistenza della componente di bozzolo che segue il getto non appena quest’ultimo emerge attraverso la fotosfera della stella. Dopo un paio di giorni, questa componente è svanita, mentre l’emissione tipica dell’ipernova (successivamente denominata SN 2017iuk) iniziava a prendere il sopravvento raggiungendo il picco di luminosità alcuni giorni dopo. Sorprendentemente, l’energia totale emessa dal cocoon risultava essere più alta dell’emissione osservata nel GRB. Il getto aveva quindi trasferito una considerevole parte della sua energia interna al bozzolo, indicando così che nei GRB l’energia osservata dipende in gran parte dall’interazione tra il jet stesso e il materiale della stella progenitrice.
Izzo conclude: “Le nostre osservazioni aiutano a spiegare in modo naturale sia l’alto grado di asimmetria osservato in buona parte delle supernovae di tipo Ic e Ib, che l’esistenza di ipernovae senza lampi gamma associati”.
L’articolo “Signatures of a jet cocoon in early spectra of a supernova associated with a γ-ray burst” di Luca Izzo (post-doc all’Instituto de Astrofísica de Andalucía presso il gruppo High-Energy Transients and their Hosts – HETH – guidato da Christina Thoene e da Antonio de Ugarte Postigo, e associato INAF presso l’Osservatorio di Capodimonte) et al. è stato pubblicato sulla rivista Nature. Gli altri ricercatori appartengono a 13 differenti Paesi, inclusi i ricercatori INAF (Massimo Della Valle, Sergio Campana, Stefano Covino, Silvia Piranomonte, Andrea Rossi e Ruben Sanchez Ramirez) e gli altri italiani che lavorano in istituti esteri come Daniele Malesani (DAWN Institute, Danimarca), Giovanna Pugliese (AI Pannekoek, Olanda) e Susanna Vergani (Obs. de Paris, Francia).
Foto e Notizie: Ufficio Stampa Inaf, autore Luca Izzo