Il satellite italiano BeppoSAX: un lampo sul mistero dei Gamma-Ray bursts

La posizione del Gamma-ray burst viene derivata dalla immagine ottenuta con lo strumento X con una precisione di circa 3 minuti d'arco. La figura (pannello superiore) mostra l'immagine del campo in coincidenza del Gamma-ray burst. Nel caso mostrato, l'evento del luglio 1996 (GB960720), il campo conteneva anche Cigno X-1, una nota sorgente X che contiene presumibilmente un buco nero. Il pannello inferiore mostra un ingrandimento della zona centrata sul burst con la sequenza di immagini prima, durante e dopo il burst

L'informazione, associata alla posizione fornita dagli strumenti a campo stretto che localizzano le sorgenti con un errore inferiore al minuto d'arco, veniva rapidamente diffusa alla rete di osservatori in tutto il mondo. Osservazioni effettuate a circa un giorno dall'evento gamma dal gruppo di Jan van Paradijs dai telescopi William Herschel e Isaac Newton che si trovano nelle Canarie portavano alla scoperta di una sorgente ottica transiente coincidente con la sorgente X. Rimane ancora aperto il problema della distanza.

L'8 maggio un altro lampo gamma (GB970508) e la relativa controparte X veniva identificato da BeppoSAX. L'informazione tempestiva sulla posizione permetteva a diversi osservatori in tutto il mondo di visionare il campo a poche ore dall'evento, di identificare il transiente ottico ad un giorno dal burst ed, infine, al gruppo condotto da Shri Kulkarni, di ottenere lo spettro ottico e, quindi, la prima misura di distanza di un Gamma-ray-burst.

Il redshift misurato di 0.83 pone l'evento dell'8 maggio ad una distanza di circa 6 miliardi di anni luce dalla Terra.

Vista la distanza, le luminosità emesse da un Gamma-ray burst sono quindi enormi, dell'ordine di 1054 erg al secondo, paragonabile a 1000 volte l'energia che il nostro Sole emette in tutta la sua vita. Nessun altro fenomeno dell'Universo, a parte il Big Bang, è in grado di liberare una luminosità così estrema.

Ma qual è il meccanismo attraverso il quale vengono prodotti i lampi gamma? Si pensa che la sorgente di energia abbia origine dall'impatto di un sistema binario di 2 stelle di neutroni, o dal collasso di una stella ipermassiccia (con masse di circa 50 volte quella solare). Si ritiene che tali fenomeni portino alla formazione di un sistema transiente di un buco nero di alcune masse solari ed un disco di accrescimento, da cui possa essere estratta poi l'energia gravitazionale o rotazionale in forma di radiazione gamma e coppie elettrone-positrone. Tale energia è concentrata in dimensioni dell'ordine di poche decine di chilometri, e la sua densità è tale che si sviluppa una palla di fuoco (fireball) con materia spinta dalla pressione della radiazione che si espande a velocità ultrarelativistiche. A seguito dell'interazione tra la palla di fuoco con il materiale circostante si sviluppa un'onda d'urto che accelera gli elettroni, i quali emettono raggi gamma. Man mano che la palla si espande perde energia continuando ad emettere anche in altre regioni dello spettro elettromagnetico, come la regione dei raggi X e nell'ottico. Tale processo spiega sia il burst che la conseguente radiazione di afterglow.

Il monitor per Gamma-ray burst identifica la presenza di un burst monitor dall'incremento dei conteggi della curva di luce (i due pannelli inferiori mostrano la curva di luce corrispondente a 2 bande in raggi gamma). La presenza del Gamma-ray burst nel campo di vista dei telescopi X a largo campo è segnalata da un aumento dei conteggi dello strumento simultaneo a quello del monitor per i Gamma-ray bursts (i 3 pannelli superiori mostrano la curva di luce in tre bande X)

Ad oggi BeppoSAX ha localizzato circa 40 Gamma-ray bursts. Grazie a queste osservazioni, che attivano un network di osservatori che comprende, tra l'altro, l'Hubble Space Telescope, i telescopi dell'ESO e del Keck, il VLA in radio, ed altri satelliti X, come Chandra e Newton-XMM, sappiamo che i Gamma-ray bursts esplodono in galassie molto distanti. In effetti, la distribuzione delle distanze ci indica che i GRB sono tra gli oggetti più distanti dell'Universo. Viste le luminosità in gioco, tali eventi possono essere rivelati a distanze ben maggiori, fornendo quindi un'opportunità unica di studiare le prime fasi di formazione delle galassie nell'Universo.

Grazie a tali scoperte, il team che ha perseguito la ricerca dei Gamma-ray bursts con BeppoSAX è stato insignito nel 1998 del premio Bruno Rossi dell'American Astronomical Society.

Tra i nuovi campi di indagine aperti da BeppoSAX, citiamo la scoperta di una nuova classe di Gamma-ray bursts. Sono stati osservati molti eventi che emettono la maggior parte della loro energia nella banda X, piuttosto che nei raggi gamma. Una delle ipotesi più affascinanti è che tali eventi siano Gamma-ray bursts a distanze così enormi (redshift maggiori di 10) che l'effetto di "arrossamento" sui fotoni prodotto dall'espansione dell'universo sposta verso il rosso, ovvero nei raggi X, i fotoni che originariamente erano prodotti nei raggi gamma.

Il campo del burst del 28 febbraio 1997 osservato dai telescopi X a campo stretto di BeppoSAX 8 ore e 3 giorni dopo il burst. Si noti l'affievolimento della sorgente X. Questa è stata la prima scoperta della controparte (afterglow) di un Gamma-ray burst

Il futuro di questo campo di indagine è, quindi, sempre più affascinante e ricco di prospettive in altri campi, come la cosmologia. Visto l'ottimo stato di salute del satellite e le sue capacità ancora competitive ed uniche nel panorama di missioni in raggi X e gamma dei prossimi 2 anni, riteniamo che BeppoSAX potrà continuare a garantire successi ed a consolidare ulteriormente la leadership mondiale della comunità astronomica italiana nella ricerca dei Gamma-ray bursts, già raggiunta grazie a questa missione.

Per approfondimenti e aggiornamenti sulle ultime scoperte di BeppoSAX sui Gamma-Ray bursts i lettori possono consultare il sito: www.ias.rm.cnr.it/sax