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Dal 2 luglio 1967, data del primo avvistamento di un lampo a raggi gamma ben 4000 GRB sono stati osservati grazie ai satelliti in orbita attorno alla Terra. Si tratta degli eventi celesti più potenti mai osservati: esplosioni che coinvolgono energie paragonabili a cento volte quella emessa dalle Supernovae e concentrate in volumi confrontabili con il raggio tipico dei buchi neri, ossia qualche decina di chilometri.
Dai dati raccolti è stato possibile individuare due diverse classi di lampi gamma: quelli brevi la cui emissione di raggi gamma dura meno di due secondi e quelli lunghi, con durata invece superiore ai due secondi. In ogni caso molto lavoro attende i ricercatori di tutto il mondo: sebbene i modelli che descriviamo di seguito siano tra i pochi a dare ragione dell’immane energia coinvolta in questi fenomeni, per gli scienziati non è del tutto chiaro come questo tipo di eventi si traducano in ciò che si osserva.

I Lampi di Raggi Gamma Lunghi

Rappresentazione grafica del lampo gamma 031203 Credits: Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

Rappresentazione grafica del
lampo gamma 031203
Credits: NASA/CXC/M.Weiss

La classe dei lampi di raggi gamma di lunga durata è quella più studiata e meglio conosciuta. Nella quasi totalità dei casi il lampo lungo è associato all’esplosione di una Supernova Ic, le Supernovae più potenti che si conoscano. Poiché solo le stelle con una massa iniziale di 30 – 40 masse solari possono dare origine ad una Supernova Ic è in questa famiglia di stelle che vanno ricercati i progenitori dei GRB: si tratta di stelle particolarmente massicce che nelle ultime fasi della loro vita, dopo aver perso gran parte della loro materia a causa di fortissimi venti stellari, hanno ancora una massa di circa 10 volte la massa del sole.

Ma l’identikit della stella progenitrice può essere più preciso; affinché avvengano entrambe le esplosioni (lampo gamma e Supernova ) è necessario infatti che si verifichino alcune condizioni: la stella deve aver perso il suo inviluppo di idrogeno ed elio e deve ruotare molto rapidamente su sé stessa. Molto spesso la stella progenitrice forma un sistema binario con una stella compagna.

Sebbene appaia semplice individuare le caratteristiche della stella originaria esistono in tale ricerca dei risvolti poco chiari: se infatti questi tutti i lampi lunghi sono associati ad esplosioni di Supernovae Ic perché solo il 5- 10 % delle esplosioni di Supernovae Ic sono associate a GRB lunghi? Per rispondere a questa domanda è necessario conoscere con estrema precisione come si sviluppa un lampo a raggi gamma.

Al netto di numerose questioni ancora irrisolte, oggi si può ipotizzare che un GRB lungo nasca da una stella che, avendo esaurito il proprio combustibile, si trovi in balia della sola forza di gravità ma non imploda completamente: in questo modo dal collasso si formano un buco nero centrale (o una stella di neutroni nella minoranza dei casi) e un disco di accrescimento composto da materiale residuo che spiraleggia attorno all’oggetto compatto (buco nero o stella di neutroni) e vi cade in tempi relativamente lunghi. Se la formazione del buco nero centrale richiede un intervallo di tempo di qualche centesimo di secondo, l’accrescimento del materiale residuo sull’oggetto compatto dovrebbe avere tempi paragonabili a quelli del lampo, ossia qualche decina di secondi.

Il momento in cui si verifica l’implosione non coincide però con il momento in cui è possibile osservare il GRB; inizialmente i fotoni emessi durante il collasso sono imprigionati in una nube opaca (fireball, palla di fuoco) dalla quale non riescono ad uscire. La nube, che contiene radiazione e materia ad alta densità, col tempo si espande e diventa sempre più rarefatta, permettendo ai fotoni di fuoriuscire. La palla di fuoco prosegue quindi la propria espansione, spazzando il mezzo interstellare, cioè il gas diffuso e le nubi dalla quale è nata, milioni di anni prima, la stella progenitrice del lampo. L’incontro non è indolore. Il mezzo interstellare è in grado di frenare la fireball producendo calore: è a questo punto che si produce l’afterglow nei raggi X, associati all’azione di frenamento.

I lampi di raggi gamma brevi

Le informazioni riguardanti i lampi gamma di breve durata sono decisamente più scarse. Ciò che si evince direttamente dall’osservazione è che i GRB corti non appaiono associati all’esplosione di Supernovae , suggerendo immediatamente che i progenitori delle due classi di lampi siano con ogni probabilità differenti. Di recente, inoltre, satelliti di nuova generazione, come per esempio Swift, hanno permesso di studiare con più precisione alcuni lampi gamma corti; i primi risultati ottenuti identificano le sorgenti in oggetti celesti a noi relativamente vicini se confrontati con le distanza cosmologiche da cui sembrano provenire i lampi gamma lunghi.

Schema dell’origine dei GRB corti

Schema dell’origine dei GRB corti

Il modello oggi più accreditato per spiegare la formazione di un GRB corto coinvolge la fusione tra due oggetti compatti quali ad esempio le stelle di neutroni. Una decina di sistemi binari simili sono stati già osservati nella nostra galassia. Ruotando attorno ad un baricentro comune le due stelle perdono energia e cadono l’una sull’altra; dallo scontro ciclopico che porta alla fusione degli oggetti compatti nascono un buco nero centrale e un disco di accrescimento formato dal materiale residuo che non è andato a formare il buco nero.

I tempi caratteristici affinché le due stelle di neutroni si tocchino infatti sono dell’ordine di miliardi di anni; in questo enorme lasso di tempo il sistema binario viaggia ad elevata velocità all’interno della galassia e raggiunge ambienti completamente diversi dalla propria zona nativa.


Testo a cura di Ilaria Arosio e Stefano Sandrelli


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