La relazione Amati è qualche cosa di diverso

Lorenzo Amati, dirigente di ricerca all’Inaf Oas di Bologna

Numero di Avogadro, limite di Chandrasekhar, costante di Planck, legge di Hubble-Lemaître… gli esempi di leggi e fenomeni della fisica che portano il nome dei loro scopritori sono tanti, certo. Ma non è da tutti gli scienziati averne uno intitolato a sé stessi. Lorenzo Amati, astrofisico all’Inaf di Bologna, è uno di questi: una correlazione individuata nel 2002 fra l’energia irradiata e la lunghezza d’onda alla quale si osserva il picco di luminosità dei lampi di raggi gamma (Grb, dall’inglese gamma ray bursts), è infatti universalmente nota come “the Amati relation” – la relazione Amati.

È una relazione che potrebbe dare un contributo decisivo alla soluzione di due fra i dilemmi che più stanno tormentando i cosmologi: la natura (e la possibile evoluzione) della cosiddetta energia oscura e il valore della costante di Hubble. Valore, quest’ultimo,  la cui stima varia – con risultati incompatibili fra loro – a seconda che si misuri la velocità di espansione dell’universo usando “candele standard” come le supernove o modelli e parametri cosmologici come quelli ottenuti grazie satellite Planck. Ebbene, se la sua affidabilità fosse confermata, la relazione Amati permetterebbe di affiancare alle supernove un tipo completamente diverso – e dunque indipendente – di candele standard: i Grb, appunto. E in particolare i long Grb.

Data la sua “giovinezza” – non è ancora nemmeno maggiorenne – non stupisce che la relazione Amati sia ancora al vaglio della comunità scientifica, ma per ora sembra che stia reggendo bene alla prova dei fatti. L’ultima conferma arriva da uno studio guidato da Feraol Fana Dirirsa basato sull’osservazione di 26 gamma ray bursts – compiuto con il telescopio della Nasa Fermi e firmato, fra gli altri, da Francesco Longo dell’Infn e dell’Università di Trieste – pubblicato da poche ore su The Astrophysical Journal. Ne parliamo non con uno degli autori dell’articolo, questa volta, bensì con lo stesso Lorenzo Amati: proprio lui, quello della relazione.

Partiamo dalla relazione che porta il suo nome, la Amati relation: cosa dice?

«Si tratta di una forte correlazione tra l’energia irradiata da un lampo gamma assumendo emissione isotropa (Eiso) e la lunghezza d’onda (espressa in termini di energia fotonica, Ep) alla quale si ha il picco dello spettro. In qualche modo, Ep rappresenta il “colore” del Grb, così come per una stella questo è legato alla sua temperatura superficiale. La correlazione ci dice che Ep è proporzionale a circa la radice quadrata di Eiso, ed è la meno dispersa tra quelle che legano l’energia irradiata, o la luminosità, dei Grb alle loro proprietà spettrali o temporali. Per questo, essa costituisce uno strumento fondamentale per la comprensione dei meccanismi fisici alla base dell’emissione dei Grb e delle proprietà geometriche dei jet ultra-relativistici che li emettono».

Cosa ha a che fare tutto ciò con la stima della costante di Hubble?

«Legando una quantità misurabile direttamente, Ep, con una quantità il cui valore apparente dipende dalla geometria ed espansione dell’universo, questa correlazione è il metodo più investigato per la “trasformazione” dei Grb in “candele standard” – e dunque per il loro utilizzo per lo studio dei parametri cosmologici, in modo simile a quanto avviene per le supernove di tipo Ia. Infatti su questa linea di ricerca collaboriamo strettamente con Massimo Della Valle, esperto di supernove e già coinvolto nei lavori da premio Nobel che hanno portato alla scoperta dell’espansione accelerata dell’universo alla fine degli anni ‘90».

In questi anni, per la relazione Amati sono arrivate solo conferme o anche dati che la mettono in discussione?

«Dopo la scoperta da parte di un gruppo di lavoro guidato dal sottoscritto e con l’importante contributo di Filippo Frontera e Marco Tavani, avvenuta nel 2002 basandosi sui dati di del satellite BeppoSax, la correlazione è stata confermata – ed estesa anche ai Grb più deboli e spettralmente “soffici” – dalle misure dei satelliti Hete-2, prima, e poi Konus-Wind, Swift e Fermi/Gbm. Le pubblicazioni scientifiche che citano il lavoro del 2002 sono quasi 900, e diverse centinaia quelle che citano i nostri lavori successivi sulla caratterizzazione e utilizzo della correlazione. Questo dimostra la grande credibilità e rilevanza di questa evidenza osservativa presso la comunità scientifica. Tuttavia, esistono alcuni lavori che, giustamente, si focalizzano sui possibili effetti di selezione legati alle sensibilità limitate dagli strumenti e altri tipi di bias, che vanno sempre considerati nell’utilizzo di sorgenti astrofisiche per la cosmologia».

Per esempio?

«Una decina di anni fa si accese un piccolo, ma acceso, dibattito sulla rilevanza di questi effetti per la correlazione Ep-Eiso, visto in particolare visto il crescente interesse per un suo utilizzo per la cosmologia. Numerosi lavori, tra i quali quelli di Giancarlo Ghirlanda, Gabriele Ghisellini, Lara Nava e collaboratori (peraltro, proponenti l’utilizzo di questo tipo di correlazione per la cosmologia già nel 2004) dimostrano però la marginalità di questi effetti, e dunque la solidità della correlazione. Infine, vi sono alcuni Grb con proprietà molto peculiari che sembrano non seguire la correlazione (i cosiddetti “outliers”). Tuttavia, esistono diverse spiegazioni per questi comportamenti: per esempio, effetti di linea di vista, particolari evoluzioni spettrali legate a effetti strumentali che “remano contro” la correlazione, Grb di diversa natura. Anzi, da questo punto di vista, il piano Ep-Eiso può essere considerato come uno strumento per identificare e comprendere diverse sotto-classi di Grb – ad esempio, quelli sub-luminosi».

E adesso questi 26 Grb osservati da Fermi: tutti ubbidienti alla sua legge o c’è qualche ribelle?

«I Grb lunghi di questo campione di lampi gamma con redshift noto e rivelati anche dallo strumento di altissima energia di Fermi (il Lat, che opera fino a qualche centinaia di GeV ) sono tutti pienamente consistenti con la correlazione. Come già dimostrato da numerose misure precedenti, i Grb corti, invece, non la seguono. E quest’ultimo aspetto rinforza il concetto espresso poco sopra, ovvero l’utilità del piano Ep-Eiso per identificare e distinguere Grb di classi diverse. Addirittura, esiste un lavoro di qualche anno fa, pubblicato su Mnras da un gruppo di ricerca cinese, che va oltre la classificazione dei Grb in lunghi e corti: basandosi sulla consistenza o meno con la correlazione, propone di classificarli in Grb “Amati” e “non-Amati”. Il che, per noi italiani, suona ovviamente abbastanza buffo!».

Cosa aggiunge di nuovo, quest’ultima osservazione compiuta con Fermi, a quelle precedenti?

«Le misure sensibili dello spettro dell’emissione “prompt” dei Grb, ovvero il lampo gamma vero e proprio, dalla quale si ricavano sia Eiso che Ep, vengono tipicamente effettuate da una decina di keV a 1-2 MeV al massimo. Per esempio, il Grb monitor a bordo di Swift è limitato a 15-150 keV, e il Grb monitor di Fermi (Gbm) – pur arrivando nominalmente fino a 30 MeV – per eventi medi è molto poco sensibile sopra 1 MeV. Questi limiti di banda energetica e sensibilità sono tra gli effetti principali che possono condizionare le caratteristiche, e la solidità stessa, della correlazione Ep – Eiso. Le misure dello strumento Lat di Fermi permettono di estendere fino ad oltre il GeV la caratterizzazione dello spettro dei Grb, fornendo quindi misure molto più accurate e solide sia di Ep che di Eiso, riducendo così in modo importante  gli effetti strumentali e di selezione. Dunque, siamo di fronte a un ulteriore passo in avanti nella validità della correlazione e del suo utilizzo per la fisica dei Grb ed il loro utilizzo cosmologico».

Diciott’anni sono pochi, ma nemmeno pochissimi. Perché i Grb ancora non sono utilizzati in modo sistematico per il calcolo della costante di Hubble, come consentirebbe di fare la correlazione che porta il suo nome?  

«Come detto sopra, nonostante la grande mole di lavori scientifici che utilizza la correlazione per la comprensione della fisica dei Grb, lo studio della geometria e struttura del jet che li emette, l’identificazione e comprensione di diverse classi di Grb, la cosmologia e i numerosi lavori che ne sostengono la solidità, per sdoganare del tutto l’utilizzo della correlazione per la misura di parametri cosmologici fondamentali occorre dissipare ogni ombra di dubbio sugli effetti strumentali e bias discussi in precedenza. E fare ulteriori passi in avanti nella calibrazione della correlazione stessa, resa difficile dal fatto che, a differenza delle supernove Ia, i Grb sono tutti a distanze “cosmologiche”. In quest’ottica, saranno molto importanti le misure della missione Svom (Cina e Francia), satellite dedicato ai Grb che dovrebbe essere lanciato nel 2022 e supererà parte dei limiti dell’attuale strumentazione, e, più in prospettiva, di Theseus, concetto di missione coordinato dall’Italia e attualmente in fase di studio da parte di Esa per un possibile lancio intorno al 2030,  che fornirà precisissime misure spettrali e stime del redshift per numerose centinaia di Grb».

Ma cosa si prova a sapere che c’è una potenziale legge di natura che porta il proprio nome?

«La correlazione Ep – Eiso fu chiamata per la prima volta “Amati relation” da Don Lamb – noto esperto mondiale di Grb, allora all’Università di Chicago – nel 2003, durante un congresso celebrativo di BeppoSax ad Amsterdam. Io partecipavo al congresso, ma durante l’intervento di Lamb, l’ultimo prima della fine della sessione, ero intento a discutere con un collega e non mi accorsi di nulla! All’uscita, i mei colleghi e amici cominciarono a complimentarsi, anche scherzosamente, per questa improvvisa popolarità, e da lì in poi è stata una specie di sorprendente, piacevole (e anche un po’ imbarazzante) valanga… Per diversi anni sono stato il più citato nei congressi sui Grb, e il mio cognome compare nel titolo di almeno 30 articoli scientifici e nell’abstract di oltre 200 articoli. Inoltre, mi ha sicuramente gratificato vedermi citato in contesti quali un articolo sul New York Times o un editoriale su Nature. Tra le perle un po’ buffe, oltre alla sopracitata classificazione dei Grb in “Amati” e “non-Amati” da parte di un gruppo cinese, menzionerei un mio ex-professore di dottorato di ricerca a Roma, nonché uno dei maggiori esperti di astronomia X. Che durante un pranzo con diversi colleghi raccontò la sua sorpresa nel leggere della “Amati relation” su Nature e concluse con: “Amati, lei è andato oltre ogni mia più rosea aspettativa!”. Per inciso,  si dice che qualcosa di simile sia successo anche ad Albert Einstein, quando un suo ex-professore commentò in modo analogo  la pubblicazione e il successo degli articoli sulla relatività. Ma non vorrei sembrare immodesto…».


Per saperne di più:

 

Magic apre una nuova era nell’astronomia gamma

Rappresentazione artistica di un’esplosione cosmica che origina un lampo di raggi gamma sovrapposta allo scorcio di uno dei due telescopi gemelli Magic. Crediti: Gabriel Pérez Díaz, Iac

Grazie a un lavoro di squadra perfetto, che ha coinvolto telescopi spaziali e sulla Terra nonché centinaia di ricercatori in tutto il mondo, è stato possibile registrare, per la prima volta in assoluto, fotoni di altissima energia emessi da un lampo di raggi gamma (Grb) – il risultato di una potentissima esplosione cosmica –registrato il 14 gennaio 2019. A captare questi fotoni, che hanno raggiunto energie dell’ordine del teraelettronvolt, ovvero migliaia di miliardi di volte più elevate di quelli della luce visibile, sono stati i telescopi gemelli Magic sulle isole Canarie. Fondamentale per la scoperta – della quale avevamo dato un’anticipazione a caldo proprio qui su Media Inaf – è stato il contributo scientifico italiano, con l’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), l’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), l’Agenzia spaziale italiana (Asi) e varie università. I risultati vengono pubblicati oggi in due articoli sulla rivista Nature.

Storia breve di Grb 190114C

Il 14 gennaio scorso, come dicevamo, un Grb è stato scoperto in modo indipendente dai telescopi a bordo di due satelliti: il Neil Gehrels Swift Observatory e il Fermi Gamma-ray Space Telescope. «L’evento mostrava una forte emissione sia nei raggi X che in ottico, e questo ci suggeriva si trattasse di un Grb esploso abbastanza vicino e sicuramente interessante», dice Valerio D’Elia dello Space science data center dell’Asi. «L’evento osservato», ricorda Francesco Longo, dell’Università e dell’Infn di Trieste, «è stato chiamato Grb 190114C e le sue coordinate, che ne identificavano la posizione in cielo tra le costellazioni dell’Eridano e della Fornace, sono state distribuite via internet agli astronomi di tutto il mondo in 22 secondi dal rilevamento dell’esplosione».

A ricevere l’allerta c’erano i telescopi a terra – come il telescopio robotico dell’Inaf Rem, situato in Cile, che ha colto l’emissione ottica – e gli scienziati della collaborazione internazionale Magic, che gestisce due telescopi a luce Cherenkov, ognuno con specchio del diametro di 17 m, situati sull’isola di La Palma, alle Canarie (Spagna). I telescopi Magic sono stati concepiti per rispondere rapidamente alle allerte Grb, e inoltre hanno una strategia di follow-up dedicata. «Un sistema automatico elabora in tempo reale le allerte Grb dai satelliti e fa in modo che i telescopi Magic puntino rapidamente la posizione del Grb in cielo», spiega Antonio Stamerra dell’Inaf di Roma, co-portavoce della collaborazione Magic. «I telescopi sono stati progettati per puntare rapidamente, nonostante il peso di 64 tonnellate ciascuno, qualsiasi regione di cielo e possono farlo in poche decine di secondi. Nel caso del Grb 190114C, Magic è stato in grado di iniziare l’osservazione circa 30 secondi dopo l’arrivo dell’allerta Grb da parte dei satelliti, cioè circa 50 secondi dopo la rivelazione del fenomeno».

Dopo il puntamento in direzione del Grb 190114C, i telescopi Magic hanno captato per la prima volta i fotoni di più alta energia mai misurati per questo tipo di eventi celesti. Un risultato senza precedenti, che fornisce nuove informazioni fondamentali per la comprensione dei processi fisici in atto nei Grb. I fotoni rivelati da MAGIC devono infatti avere origine da un processo finora non legato alla radiazione prodotta negli afterglow dei Grb (un’emissione di luce osservabile a tutte le lunghezze d’onda che si affievolisce nel tempo) e che è distinto dal processo fisico responsabile della emissione dei Grb stessi alle energie più basse.

«L’analisi dei dati risultanti per le prime decine di secondi di osservazione rivela l’emissione di fotoni che raggiungono le energie del teraelettronvolt (TeV), cioè un trilione di volte più energetici della luce visibile», dice Alessio Berti dell’Infn di Torino. «Durante questo lasso di tempo, l’emissione di fotoni TeV dal Grb 190114C è stata cento volte più intensa della sorgente celeste più brillante conosciuta a queste energie: la Nebulosa del Granchio. Tra i vari record registrati dal Grb 190114C c’è dunque anche quello di essere la sorgente più brillante di fotoni conosciuta a queste energie». Sebbene l’emissione fino alle energie del TeV nei Grb fosse stata prevista in alcuni studi teorici, essa era rimasta finora inosservata nonostante le numerose ricerche svolte negli ultimi decenni con vari strumenti che lavorano a queste energie, tra cui Magic.

Le tante facce di una potentissima esplosione

I fotoni di altissima energia sono stati osservati da Magic fino a mezz’ora dopo l’esplosione del Grb per cui, grazie sia all’intensità del segnale ricevuto che alla procedura di analisi dei dati in tempo reale disponibile all’osservatorio, è stato possibile comunicare entro poche ore dall’osservazione alla comunità astronomica internazionale la scoperta del primo inequivocabile rilevamento di fotoni di altissima energia da un Grb. Questa comunicazione ha messo in evidenza l’importanza di questo evento astronomico e ha dato luogo a una vasta campagna di osservazioni di follow-up a tutte le lunghezze d’onda del Grb 190114C da parte di oltre due dozzine di osservatori o strumenti dalla banda radio alle energie TeV. In particolare, le osservazioni ottiche hanno consentito una misurazione della distanza dal Grb 190114C di circa 7 miliardi di anni luce.

Grb 190114C visto da terra e dallo spazio. Gabriel Pérez Díaz, Iac

«L’osservazione alle varie lunghezze d’onda, che coprono tutto lo spettro elettromagnetico dal radio ai raggi gamma, è di fondamentale importanza perché i fotoni che arrivano a noi con energie diverse spesso sono emessi da regioni diverse e trasportano informazioni differenti», spiega Marco Tavani dell’Inaf di Roma, responsabile della missione per astronomia gamma Agile, che ha osservato l’evento nell’istante dello scoppio e in quelli immediatamente successivi. «In particolare, poter osservare il fenomeno alle energie più alte è da sempre stato un obiettivo della ricerca in questo settore in quanto i fotoni di più alta energia ci portano informazioni dalle regioni più vicine all’origine del fenomeno».

Tutte le osservazioni effettuate – tra cui quelle degli astronomi dell’Inaf, che con vari telescopi ottici sparsi in giro per il mondo hanno seguito per giorni il fenomeno – offrono una panoramica multifrequenza molto completa per questo evento e forniscono le prove inequivocabili che l’emissione di alta energia osservata da Magic è originata da un ulteriore, distinto processo di emissione nell’afterglow finora mai osservato. «Dalla nostra analisi, il candidato favorito per spiegare l’emissione di altissima energia è il cosiddetto processo di Compton inverso, in cui i fotoni ricevono l’energia osservata da una popolazione di elettroni di energia ancora più alta che sono stati accelerati dall’esplosione», dice Lara Nava dell’Inaf Milano. «Viceversa i fotoni di più bassa energia che si osservano negli afterglow sono originati dal cosiddetto processo di sincrotrone in cui i fotoni osservati sono invece generati dall’interazione tra elettroni e campi magnetici».

Dopo oltre 50 anni dalla prima scoperta dei Grb, molti aspetti di questo fenomeno rimangono ancora misteriosi. Tuttavia, uno studio comparativo di tutte le precedenti osservazioni Grb di Magic suggerisce che Grb 190114C non è stato un evento particolarmente singolare, se non per la sua relativa vicinanza, e che il successo dell’osservazione si deve alle eccellenti prestazioni dello strumento. «Magic ha aperto una nuova finestra per studiare i Grb», osserva Lucio Angelo Antonelli dell’Inaf di Roma, responsabile Inaf presso la collaborazione Magic. «I nostri risultati indicano che siamo sicuramente in grado di rilevare molti più Grb alle energie TeV sia con Magic che con gli strumenti Cherenkov di nuova generazione».


Per saperne di più:

Guarda su MediaInaf Tv la versione italiana del video del MAGIC outreach team:

 

Scoperto un buco nero ultra-leggero

È un buco nero insolito, quello scoperto in un sistema binario in compagnia di una gigante rossa e appena annunciato sulle pagine di Science da un team guidato da Todd Thompson della Ohio State University. Insolito per due motivi: per il modo in cui è stato individuato e per la sua massa.

Partiamo dall’individuazione. È uno dei due membri di in un sistema binario, dicevamo, e fin qui nulla di strano, anzi: è proprio l’esistenza di un “compagno” a tradire la presenza di un buco nero stellare. Di solito, però, a segnalare che c’è un buco nero è in questi casi l’emissione di raggi X prodotti dall’interazione con l’altro membro della coppia, e in particolare dal processo di accrescimento di quest’ultimo a danno della stella compagna, che gli cede materia. Quello scoperto da Thompson e colleghi è invece un sistema binario non interagente: vale a dire che non c’è scambio di materia fra i due membri, e l’unica “lingua” nella quale i due membri della coppia comunicano è quella della gravità.

In altre parole, a tradirlo è stato il modo in cui danza la sua compagna, la gigante rossa 2Mass J05215658+4359220. Thompson e colleghi se ne sono accorti esaminando i dati di Apogee (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), che ha raccolto spettri luminosi da circa 100mila stelle della Via Lattea. Dati analizzati proprio in cerca di tracce che potessero indicare se una stella sta orbitando attorno a un altro oggetto: cambiamenti periodici nello spettro di una stella – uno spostamento verso le lunghezze d’onda più blu, ad esempio, seguito da uno spostamento verso le lunghezze d’onda più rosse – possono infatti essere la conseguenza del suo orbitare attorno a un compagno invisibile.

È così che è stata individuata la gigante rossa. Non solo: la tecnica sopra descritta, oltre a smascherare la coppia, consente anche di stabilire a che velocità piroettano i due ballerini e – udite udite – quanto “pesano”. Per quel che riguarda la velocità, i dati indicano un periodo orbitale di circa 83 giorni. Ma la vera sorpresa è arrivata con la massa. Facendo qualche calcolo è stato possibile stimare che il “compagno invisibile” – il buco nero – si aggira attorno alle 3.3 masse solari. Con un margine di errore ragguardevole, occorre dire: l’intervallo possibile va da 2.6 a 6.1 masse solari. Ma comunque sorprendente: un buco nero così piccolo non si era mai visto.

Sempre che di buco nero si tratti. Una possibilità, infatti, è che possa essere un’enorme stella di neutroni, la cui massa tipica è però di 2.1 masse solari, e oltre le 2.5 dovrebbe collassare, appunto, in un buco nero. D’altronde, le masse dei buchi neri stellari noti stanno fra le 5 le 15 masse solari – con la notevole eccezione di quelli, assai più massicci, rivelati all’atto della fusione dagli interferometri di onde gravitazionali. Comunque sia, è un oggetto che abita una zona di confine ancora tutta da esplorare. E ora gli astronomi sanno come stanarne altri.

«Quello che abbiamo fatto è stato escogitare un nuovo modo di cercare i buchi neri. Ma così facendo abbiamo anche identificato quello che è potenzialmente uno dei primi esemplari di una nuova classe di buchi neri di piccola massa dei quali gli astronomi non sapevano nulla. E le masse degli oggetti», osserva Thompson, «ci raccontano della loro formazione ed evoluzione, e ci raccontano della loro natura».

Per saperne di più:

Nel mondo deforme di un buco nero

La Nasa ci stupisce ancora una volta con questa nuova visualizzazione animata di un buco nero. Un’animazione che illustra come la sua gravità sia in grado di distorcere ciò che stiamo guardando, deformando l’ambiente circostante il buco nero come se fosse visto attraverso uno specchio del luna park. La visualizzazione simula l’aspetto di un buco nero in cui la materia in caduta si è raccolta in una struttura sottile e calda chiamata disco di accrescimento. La gravità estrema del buco nero piega la luce emessa da diverse regioni del disco, producendo l’aspetto deformato che vediamo sotto.

Visto quasi di taglio, il turbolento disco di gas che ruota intorno a un buco nero ha un aspetto pazzesco, con una doppia gobba, sopra e sotto. Questo perché l’estrema gravità del buco nero altera i percorsi della luce provenienti da diverse parti del disco, producendo l’immagine deformata, ma ciò che vediamo dipende dal nostro angolo di vista. La massima distorsione si verifica quando si visualizza il sistema quasi lateralmente. Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman

Nell’immagine sono evidenti nodi luminosi che si formano e si dissipano costantemente nel disco, mentre i campi magnetici si avvolgono e si attorcigliano attraverso il gas. Più vicino al buco nero, il gas orbita ad una velocità prossima a quella della luce, mentre le zone più esterne ruotano più lentamente. Questa differenza si estende per tutto il disco e separa i nodi luminosi, producendo corsie chiare e scure.

Questa infografica evidenzia e spiega vari aspetti della visualizzazione del buco nero (cliccare per ringrandire). Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman, traduzione a cura di Media Inaf

Visto di lato, il disco appare più luminoso a sinistra di quanto non lo sia a destra. Questo perché il gas incandescente sul lato sinistro del disco si muove verso di noi così velocemente che gli effetti della relatività di Einstein inducono un aumento della sua luminosità; il contrario accade sul lato destro, dove il gas che si allontana diventa leggermente più debole. Questa asimmetria scompare quando vediamo il disco esattamente di fronte perché, da quella prospettiva, nessuno dei materiali si muove lungo la nostra linea di vista.

Più vicino al buco nero, la flessione gravitazionale della luce diventa così spinta che possiamo vedere la parte inferiore del disco come un luminoso anello di luce che apparentemente delinea il buco nero. Questo cosiddetto “anello fotonico” è composto i realtà da più anelli, che diventano progressivamente più deboli e più sottili, prodotti dalla luce che ha orbitato attorno al buco nero due, tre o anche più volte prima di riuscire a fuggire e raggiungere i nostri occhi. Poiché il buco nero modellato in questa visualizzazione è sferico, l’anello fotonico appare quasi circolare e identico da qualsiasi angolazione lo si guardi. All’interno dell’anello fotonico si trova l’ombra del buco nero, un’area approssimativamente doppia rispetto all’orizzonte degli eventi, il suo punto di non ritorno.

«Simulazioni e filmati come questi ci aiutano a visualizzare ciò che Einstein aveva compreso, affermando che la gravità deforma il tessuto dello spazio e del tempo», spiega Jeremy Schnittman, che ha prodotto queste splendide immagini utilizzando un software dedicato presso il Goddard Space Flight Center della Nasa. «Fino a poco tempo fa, queste visualizzazioni erano limitate alla nostra immaginazione e ai programmi per computer. Non avrei mai pensato che sarebbe stato possibile vedere un vero buco nero». Ma questo 2019 ci ha regalato l’immagine del secolo, quando il 10 aprile il team di Event Horizon Telescope ha rilasciato la prima immagine in assoluto dell’ombra di un buco nero, usando le osservazioni radio del cuore della galassia M87.

Dicibile e indicibile sui viaggi nel tempo

Dal 22.09.2019 al 25.09.2019

Dal 22 al 25 settembre si terrà a Torino la terza edizione del convegno The Time Machine Factory (TM2019), organizzato dall’Osservatorio astronomico Inaf di Torino, dal Dipartimento di Matematica “G. Peano” dell’Università di Torino e dall’Istituto nazionale di ricerca metrologica (Inrim), dedicato al ruolo della causalità nella relatività generale e nella meccanica quantistica e sull’insorgenza di situazioni in cui essa possa essere potenzialmente violata dando origine a curve temporali chiuse.

Difatti, sebbene le violazioni della cronologia possano sembrare in contraddizione con il senso comune e portare a paradossi logici, le “macchine del tempo” non sono escluse a priori dalle attuali leggi della fisica.

L’interesse per lo studio dei “viaggi nel tempo” pone nuove sfide matematiche e apre nuove frontiere per l’astrofisica che vanno dalla ‘fisica dei buchi neri’ fino alla ‘navigazione spazio-temporale’, nonché nuove basi per esplorare le potenziali applicazioni della metrologia relativistica e quantistica. Maggiori dettagli sul programma scientifico sono reperibili sul sito della conferenza.

Sono previsti anche alcuni appuntamenti aperti al pubblico a cui presenzieranno gli scienziati partecipanti al convegno:

  • Domenica 22, ore 21.30, dibattito e concerto di apertura al Blah Blah, con gli ATEM che sonorizzeranno dal vivo il film Lola Corre;
  • Lunedì 23, ore 20.30, proiezione del film Time Bandits di Terry Gilliam al Cinema Massimo. Precederà una tavola rotonda moderata da Mariateresa Crosta (Inaf) e da Marco Gramegna (Inrim) con Stefano Liberati (Sissa) e Lorenzo Maccone (Università di Pavia), incentrata sui viaggi superluminali e ‘Molti Mondi’.
  • Martedì 24, ore 17.30, presso l’Aula Magna del Rettorato di Via Verdi 8, incontro Women IN Gravities (WINGs). Verrà evidenziato il ruolo delle donne negli ambiti scientifici discussi durante il convegno con Susanna Terracini (Università di Torino), presidentessa fino al 2015 dell’Associazione Europea delle Donne in Matematica, e con Sumati Surya (Raman Research Institute, India), esperta di gravità quantistica, che racconterà anche della sua esperienza come scienziata in India.

A caccia di dark matter nella foresta Lyman-alfa

Simulazioni della Foresta di Lyman-alfa (proiezione della frazione di idrogeno neutro con redshift z = 2 e z = 4.0) Crediti: The Sherwood Simulation Suite

In cerca di risposte sull’origine del cosmo tra foreste e ragnatele cosmiche che popolano lo spazio profondo. «Abbiamo testato uno scenario in cui la materia oscura è composta da buchi neri non stellari, ma formati nell’universo primordiale», dice Riccardo Murgia, primo autore di uno studio recentemente pubblicato su Physical Review Letters insieme ai colleghi Giulio Scelfo e Matteo Viel della Sissa – Scuola internazionale superiore di studi avanzati, dell’Infn sezione di Trieste e associato Inaf, e ad Alvise Raccanelli del Cern di Ginevra.

I buchi neri primordiali (Pbh – Primordial Back Holes per i cosmologi) sono oggetti formatisi frazioni di secondo dopo il Big Bang, ritenuti da molti studiosi tra i principali candidati nello spiegare la natura della materia oscura, soprattutto dopo le osservazioni dirette di onde gravitazionali da parte dei rilevatori Virgo e Ligo nel 2016. «I Pbh sono per il momento ancora oggetti ipotetici, ma sono previsti in alcuni modelli dell’universo primordiale”, precisa Raccanelli del Cern. «Inizialmente proposti da Stephen Hawking nel 1971, sono tornati alla ribalta negli ultimi anni come possibili candidati per spiegare la materia oscura. Si crede che questa sia circa l’80 per centodi tutta la materia presente nell’universo, per cui spiegarne anche una piccola parte sarebbe un risultato importantissimo. Inoltre, cercare prove dell’esistenza di Pbh o escludere che esistano ci fornisce informazioni di grande rilevanza sulla fisica dell’universo primordiale».

In questo lavoro gli scienziati si sono concentrati in particolare sull’abbondanza di Pbh più massivi di 50 volte la massa del sole. In pratica, i ricercatori hanno cercato di definire meglio alcuni parametri legati alla loro presenza (massa e abbondanza per la precisione) analizzando l’interazione della luce emessa da lontanissimi quasar con la ragnatela cosmica (la cosiddetta “cosmic web”), una rete di filamenti composta da gas e materia oscura presente in tutto l’Universo. All’interno di questa fitta trama, gli studiosi si sono concentrati sulla “foresta Lyman-alfa”, ovvero l’insieme delle interazioni dei fotoni con l’idrogeno dei filamenti cosmici, che presenta delle caratteristiche strettamente legate alla natura fondamentale della materia oscura.

Attraverso simulazioni effettuate con il supercomputer Ulysses di Sissa e Ictp, sono state riprodotte le interazioni tra fotoni e idrogeno e confrontate con interazioni “reali”, rilevate dal telescopio Keck (nelle Hawaii). I ricercatori hanno così potuto tracciare alcune proprietà dei buchi neri primordiali che permettono di capire gli effetti della loro presenza.

«Abbiamo simulato al computer la distribuzione di idrogeno neutro a scale subgalattiche, che si manifesta sotto forma di righe di assorbimento negli spettri di sorgenti lontane», continua Murgia. «Confrontando con i dati osservativi i risultati delle nostre simulazioni è pertanto possibile stabilire dei limiti sulla massa e l’abbondanza dei buchi neri primordiali e determinare se e in che misura tali candidati possano costituire la materia oscura». I risultati dello studio sembrano sfavorire il caso che tutta la materia oscura sia composta da un certo tipo di buchi neri primordiali (quelli con una massa maggiore di 50 volte la massa solare) ma non escludono del tutto che potrebbero costituirne una frazione. «Abbiamo sviluppato un nuovo metodo che permette di esplorare in maniera semplice ed efficiente scenari alternativi al modello cosmologico standard, secondo cui la materia oscura sarebbe invece composta da particelle che chiamate WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)».

Questi risultati, importanti per la costruzione di nuovi modelli teorici e l’elaborazione di nuove ipotesi sulla natura della materia oscura, offrono una serie di indicazioni molto più precise per tracciare l’intricato percorso verso la comprensione di uno dei più grandi misteri del cosmo.

Per saperne di più:

Tre pasti al giorno per il buco nero dello Scultore

La sorgente Gsn 069. Crediti: X-ray: Nasa/Cxo/Csic-Inta/G.Miniutti et al.; Optical: Dss

È la sera della vigilia di Natale, il 24 dicembre 2018. Il telescopio per alte energie Xmm-Newton dell’Esa è al lavoro come sempre – o, più esattamente, come da 20 anni a questa parte, essendo stato lanciato nel dicembre 1999. Sta osservando, in direzione della costellazione dello Scultore, la sorgente Gsn 069: una galassia a 250 milioni di anni luce da noi che ospita, nel suo cuore, un buco nero da circa 400mila volte la massa del Sole – dunque piuttosto piccolo per gli standard dei buchi neri supermassicci. Piccolo ma stranamente inquieto. I sensori di Xmm-Newton registrano infatti, quella sera, un cambiamento repentino nella sua emissione di energia: un incremento di ben cento volte rispetto al valore consueto. L’emissione in banda X rimane a livello così elevato per circa un’ora, poi scende a livelli normali. Ma dopo nove ore eccola risalire nuovamente. Non è un comportamento normale. Un po’ di tremolio ci sta, l’emissione dei buchi neri supermassicci è in questo senso simile alla luce di una candela. Ma un cambiamento così rapido è una novità.

Novità che, complice il periodo natalizio, viene però recepita dagli scienziati solo qualche giorno dopo. Siamo già nel 2019, al rientro dalle vacanze. Quando l’astrofisico Giovanni Miniutti – alle spalle un dottorato alla Sapienza e oggi ricercatore al Centro de Astrobiología di Madrid, in Spagna – si accorge, analizzando i dati raccolti dal satellite Esa, di trovarsi davanti a un oggetto dal comportamento del tutto inedito.

«Questo buco nero segue un “piano alimentare” che non abbiamo mai visto prima», dice Miniutti, primo autore dell’articolo che riporta oggi su Nature il risultato. «È un comportamento senza precedenti, il suo, al punto che abbiamo dovuto coniare una nuova espressione per descriverlo: eruzioni quasi periodiche a raggi X».

Per essere certi che non si tratti di un evento episodico, Miniutti e il suo team hanno bisogno di nuovi dati, di maggiori osservazioni. Ma occorre agire in fretta, perché la galassia sta scivolando rapidamente dietro al Sole, dove il telescopio spaziale per raggi X non potrà più vederla per quasi quattro mesi. E per agire così in fretta c’è un modo soltanto: fare direttamente appello al direttore di Xmm-Newton, chiedendo di poter usufruire del cosiddetto ‘Ddt” – il Director’s Discretionary Time, tempo di utilizzo del telescopio che il direttore può concedere, appunto, a sua discrezione. La richiesta è approvata, e proprio l’ultimo giorno prima del “blocco solare”, il 16 gennaio, gli specchi cilindrici ricoperti d’oro di Xmm-Newton volgono di nuovo lo sguardo verso lo Scultore. Questa volta l’osservazione dura ben 38 ore: più che sufficienti a confermare l’incredibile periodicità dell’emissione. Conferma rafforzata – qualche settimana più tardi, il giorno di San Valentino – dalle osservazioni di un altro telescopio spaziale per raggi X: l’osservatorio Chandra della Nasa.

Se sulla descrizione del fenomeno, per quanto bizzarro, sembrano esserci dunque ormai pochi dubbi, la spiegazione sul perché avvenga è invece ancora avvolta nelle nebbie. Da un lato, gli scienziati sono concordi nell’affermare che il periodo relativamente breve – nove ore – è dovuto alla massa relativamente ridotta – 400mila masse solari, appunto – del buco nero. E sottolineano come quest’osservazione suggerisca che anche i buchi neri supermassici più grandi – di solito hanno una stazza che va dai milioni ai miliardi di masse solari – possano esibire un comportamento analogo. Solo, con periodi molto più lunghi – mesi, anni – e di conseguenza molto più difficili da intercettare. Ciò su cui invece c’è grande perplessità è il processo fisico che sta dietro a queste ‘Qpe’ (dalle iniziali di quasi-periodic emission): cosa può mai indurre un buco nero come questo al centro di Gsn 069 a brillare a intermittenza, in luce X, come se avesse ogni volta trangugiato l’equivalente in materia di quattro volte la nostra Luna?

I due autori italiani dello studio, Margherita Giustini e Giovanni Miniutti, oggi entrambi a Madrid. Crediti: Marco Malaspina / Media Inaf

«Riteniamo che all’origine dell’emissione di raggi X vi sia una stella che il buco nero ha parzialmente o completamente fatto a pezzi, e che sta lentamente consumando. Ma per quanto riguarda le esplosioni ripetute, al momento abbiamo solo ipotesi», spiega a Media Inaf una delle coautrici dello studio, Margherita Giustini, originaria di Jesi, laurea e dottorato a Bologna e oggi anche lei ricercatrice al Centro de Astrobiología di Madrid. «Una possibilità che stiamo prendendo in considerazione è che si tratti di una vera e propria instabilità del flusso di materia che cade nel questo buco nero, instabilità che ogni nove ore si ripete. Un’altra possibilità è che, quando questa sorgente si è “accesa” – e sappiamo che si è accesa in qualche momento tra gli anni Novanta e il 2010 – si sia “mangiata” una stella senza però consumarla interamente: un residuo di questa stella potrebbe stare ancora orbitando attorno al buco nero, e magari interagendo con un piccolo disco di accrescimento. Ogni volta che questo frammento di stella incontra il disco ecco, allora, che potrebbe generare un’eruzione di raggi X».

Quale che sia la spiegazione, la speranza dei ricercatori è che questa scoperta li potrà aiutare a svelare il cosiddetto “mistero dell’eccesso di raggi X soft”, quelli più blandi, ovvero proprio la componente la cui emissione varia in modo regolare e repentino nel buco nero di Gsn 069. «Vedere questa componente nascere e morire in un’ora, e poter seguire questo fenomeno per lungo tempo, ci permette di studiare in dettaglio come si forma e come decade, e dunque comprenderne meglio l’origine fisica», conclude Miniutti, in questi giorni in Italia insieme a Giustini per il congresso X-Ray Astronomy 2019.

Per saperne di più:

Guarda su MediaInaf Tv l’intervista a Giovanni Miniutti e a Margherita Giustini:

Tre milioni di dollari ai “fotografi“ del buco nero

Elisabetta Liuzzo (sx) e Kazi Rygl (dx). Crediti: Media Inaf

Il premio Breakthrough 2020 per la Fisica fondamentale è stato assegnato alla collaborazione dell’Event Horizon Telescope (Eht) “per la prima immagine di un buco nero supermassiccio grazie a una rete di telescopi su scala globale”. Nel team che verrà ufficialmente premiato il 3 novembre prossimo all’Ames Research Center della Nasa a Mountain View, in California, fanno parte le ricercatrici dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl.

Giunto alla sua ottava edizione, il Breakthrough Prize, noto come “Oscar della scienza”, premia ogni anno le ricerche e le scoperte più importanti nelle scienze della vita, nella fisica e nella matematica. I soci finanziatori della Breakthrough Prize Foundation sono Sergey Brin, Priscilla Chan, Mark Zuckerberg, Ma Huateng, Yuri e Julia Milner, Anne Wojcicki. Considerato il premio scientifico più generoso al mondo, ogni Breakthrough Prize ammonta a 3 milioni di dollari. Questo importo verrà equamente ripartito tra i 347 scienziati che hanno firmato i sei articoli scientifici pubblicati dalla collaborazione Eht il 10 aprile 2019.

Elisabetta Liuzzo è raggiante: «La notizia del premio è stata inaspettata e sorprendente! Costituisce l’ennesima conferma dei traguardi incredibili che più di trecento persone possono raggiungere insieme. È un onore essere parte di questa collaborazione internazionale e un privilegio aver avuto l’opportunità di contribuire a questi risultati». Le fa eco Kazi Rygl: «È fantastico aver ottenuto questo riconoscimento pubblico facendo ciò che ci piace. Un raggiungimento straordinario per la nostra collaborazione che premia lo sforzo di tanti scienziati ed ingegneri appassionati sparsi in tutto il globo. Ad meliora et maiora semper

«È con grande soddisfazione che apprendiamo questa notizia, sia per l’importante risvolto scientifico di questo risultato, sia soprattutto per il suo rilievo tecnologico: il Breakthrough Prize è infatti un premio alle innovazioni che portano svolte radicali, e l’Inaf anche in questo caso è protagonista, confermando ancora una volta le sue eccellenze a livello internazionale» sottolinea il presidente dell’Istituto nazionale di astrofisica, Nichi D’Amico.

Il buco nero supermassiccio al centro di Messier 87. Crediti: The Event Horizon Telescope

L’Event Horizon Telescope è un gruppo di otto radiotelescopi da Terra che opera su scala planetaria, nato grazie a una collaborazione internazionale e progettato con lo scopo di catturare le immagini di un buco nero. Obiettivo che è stato raggiunto e presentato il 10 aprile scorso, quando è stata mostrata al pubblico la prima immagine di un buco nero supermassiccio, quello al centro di Messier 87, un’enorme galassia situata nel vicino ammasso della Vergine. Questo buco nero dista da noi 55 milioni di anni luce e ha una massa pari a 6,5 miliardi e mezzo di volte quella del Sole.

L’Inaf ha un importante coinvolgimento nella rivoluzionaria osservazione come parte del progetto europeo BlackHoleCam (Bhc), il cui project Scientist è l’italiano Ciriaco Goddi, già in forza all’Inaf e attualmente ricercatore presso la Radboud University nei Paesi Bassi, nonché segretario del consiglio scientifico del consorzio Eht. Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl dell’Istituto nazionale di astrofisica a Bologna sono due ricercatrici del nodo italiano dell’Alma Regional Centre, uno dei sette che compongono la rete europea che fornisce supporto tecnico-scientifico agli utenti di Alma, e che è ospitato proprio presso la sede dell’Inaf – Istituto di radioastronomia a Bologna. Nel 2018 entrambe sono entrate a far parte del progetto Bhc finanziato dall’Erc come partner del progetto Eht, e fanno a tutti gli effetti parte dell’Event Horizon Telescope Consortium, in cui sono membri dei gruppi di lavoro che si occupano di calibrazione e imaging. A completare la squadra italiana coinvolta nel progetto Eht ci sono Luciano Rezzolla, astrofisico della Goethe University di Francoforte nonché principal investigator di BlackHoleCam, e Mariafelicia De Laurentis, dell’Università Federico II di Napoli e associata Infn.

Guarda il servizio video su MediaInaf Tv:

Osservati i primi istanti di vita di una kilonova

Rappresentazione artistica di due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come kilonova. Crediti: Eso/L. Calçada/M. Kornmesser

Gw 170817 non smette di sorprenderci. Grazie a quella prima rilevazione di un’onda gravitazionale generata durante la fusione di due stelle di neutroni e associata a un breve e debole lampo gamma, è stato possibile “rileggere” i dati riferiti a un lampo gamma osservato nell’agosto 2016, trovando nuove prove della nascita di una kilonova che sarebbe passata inosservata durante le osservazioni iniziali.

Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, è stato realizzato da un team guidato dall’italiana Eleonora Troja, ricercatrice del Dipartimento di astronomia dell’Università del Maryland, e vede Roberto Ricci dell’Inaf di Bologna, Andrea Tiengo e Giovanni Novara della Scuola universitaria superiore Iuss di Pavia e associati all’Inaf, tra i co-autori.

Gli astronomi ipotizzano che buona parte dell’oro e del platino presenti sulla Terra si siano formati come risultato di antiche kilonove nate dalla collisione di stelle di neutroni. La fusione rilevata nel 2017 degli osservatori per onde gravitazionali Ligo e Virgo ha dato origine a una kilonova, fornendo la prima prova convincente che le kilonove producono grandi quantità di metalli pesanti e confermando le previsioni teoriche.

Sulla base dei dati rilevati nell’evento del 2017, gli astronomi hanno iniziato a capire meglio come una kilonova dovrebbe apparire a chi la osserva da terra. Troja e il suo team hanno quindi riesaminato i dati riferiti a un lampo di raggi gamma esploso nell’agosto 2016 trovando le tracce di una kilonova che erano sfuggite a una prima analisi delle osservazioni iniziali.

Eleonora Troja, prima autrice dello studio, ricercatrice all’Università di Maryland, e Roberto Ricci, ricercatore all’Inaf  di Bologna

«L’evento del 2016 è stato molto entusiasmante. Era vicino e visibile da tutti i principali telescopi, compreso il telescopio spaziale Hubble della Nasa e dell’Esa. Ma non corrispondeva alle nostre previsioni: ci aspettavamo di vedere l’emissione infrarossa diventare sempre più brillante nell’arco di diverse settimane», dice Eleonora Troja, che ha anche un incarico anche presso il Goddard Space Flight Center della Nasa. «Dieci giorni dopo l’evento, non era rimasto quasi nessun segnale. Eravamo tutti molto delusi. Poi, a un anno di distanza, si è verificato l’evento rilevato con Ligo e Virgo. Abbiamo guardato i nostri vecchi dati con occhi nuovi e ci siamo resi conto di aver visto una kilonova nel 2016. I due eventi coincidevano quasi perfettamente. I dati a infrarossi per entrambi gli eventi hanno luminosità simili ed esattamente la stessa scala temporale».

Secondo Troja, le informazioni raccolte nel corso dell’evento del 2016 non contengono così tanti dettagli quanto le osservazioni dell’evento rilevato da Ligo e Virgo, ma a fare la differenza è la copertura delle prime ore dell’evento, che manca nelle osservazioni dell’evento del 2017. Quei dati hanno rivelato nuove e importanti informazioni sulle prime fasi di vita di una kilonova. Il team ha potuto osservare per la prima volta il nuovo oggetto prodotto dopo la collisione, che non era visibile nei dati dell’evento Ligo/Virgo.

Il Neil Gehrels Swift Observatory della Nasa ha iniziato infatti a monitorare l’evento del 2016, noto come Grb 160821B, a pochi minuti dalla sua rilevazione. Questo ha permesso al gruppo di ricerca di raccogliere nuove informazioni non disponibili per l’evento Ligo/Virgo, che ha avuto inizio solo 12 ore dopo la collisione iniziale.

Le somiglianze tra i due eventi suggeriscono che anche la kilonova del 2016 sia nata dalla fusione di due stelle di neutroni. Le kilonove potrebbero anche essere l’esito della fusione di un buco nero e di una stella di neutroni, ma non è noto se un tale evento potrebbe dare una firma diversa nelle osservazioni a raggi X, infrarossi, radio e luce visibile.

«Il residuo potrebbe essere una stella di neutroni ipermassiva altamente magnetizzata, nota come magnetar, che è sopravvissuta alla collisione e poi è collassata in un buco nero», dice Geoffrey Ryan, postdoctoral fellow dello Joint Space-Science Institute (Jsi), anche lui in forze al Dipartimento di astronomia dell’Università del Maryland e co-autore dell’articolo. «Questo è interessante perché la teoria suggerisce che una magnetar dovrebbe rallentare o addirittura arrestare la produzione di metalli pesanti, che è l’origine della luce infrarossa di una kilonova. La nostra analisi suggerisce che i metalli pesanti sono in qualche modo in grado di sfuggire all’influenza dell’oggetto residuo».

«L’analisi dei dati di questo evento si inserisce nel solco degli studi fatti a seguito di Gw 170817 e arricchisce la nostra comprensione di come avvengono queste grandi esplosioni cosmiche. Il mio ruolo è stato l’analisi dei dati radio del Very Large Array da cui è risultata visibile l’emissione di uno shock inverso nel getto del lampo gamma, non sempre rivelabile in osservazioni di follow-up», sottolinea Roberto Ricci, co-autore dello studio in forze all’Inaf di Bologna.

Il gruppo della Scuola universitaria superiore Iuss di Pavia, che collabora da diversi anni su questi temi con l’Inaf, si è invece occupato dell’analisi dei dati del satellite dell’Esa Xmm-Newton, che hanno permesso di studiare l’emissione di raggi X fino a circa 10 giorni dopo il lampo gamma. «Le osservazioni con Xmm-Newton, insieme a quelle ottenute nella banda radio, sono state fondamentali per caratterizzare l’emissione generata dal getto del lampo gamma, che contamina pesantemente l’emissione della kilonova nella banda ottica e infrarossa. Solo così è stato possibile studiare un segnale davvero pulito», aggiunge Andrea Tiengo.

Troja e i suoi colleghi prevedono di applicare quanto appreso per rivalutare gli eventi passati, migliorando al contempo il loro approccio alle osservazioni future. Sono stati identificati diversi eventi candidati con osservazioni in banda ottica, ma la scienziata è più interessata a eventi che abbiano una forte firma nell’infrarosso, indicatore spia della produzione di metalli pesanti.

«Il segnale infrarosso molto luminoso di questo evento lo rende la kilonova più chiaramente osservata nell’universo lontano», conclude Troja. «Sono molto interessata a come le proprietà della kilonova cambino in base ai diversi progenitori e ai residui finali. Osservando un numero maggiore di questi eventi, possiamo imparare che ci sono molti tipi diversi di kilonove tutti nella stessa famiglia, come sappiamo già essere per le supernove. È davvero entusiasmante poter costruire le nostre conoscenze in tempo reale».

Per saperne di più:

  • Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “The afterglow and kilonova of the short GRB 160821B, di E. Troja, A. J. Castro-Tirado, J. Becerra González, Y. Hu, G. S. Ryan, S. B. Cenko, R. Ricci, G. Novara, R. Sánchez-Rámirez, J. A. Acosta-Pulido, K. D. Ackley, M. D. Caballero García, S. S. Eikenberry, S. Guziy, S. Jeong, A. Y. Lien, I. Márquez, S. B. Pandey, I. H. Park, T. Sakamoto, J. C. Tello, I. V. Sokolov, V. V. Sokolov, A. Tiengo, A. F. Valeev, B. B. Zhang e S. Veilleux

Un insolito candidato per la materia oscura

Gli esperimenti finora condotti negli acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider del Cern di Ginevra, hanno confermato il Modello Standard, teoria che unifica tre delle quattro forze fondamentali (forza forte, forza debole e forza elettromagnetica). Si potrebbe credere lo scenario ideale per un fisico, vedere confermata la teoria, ma in questo caso è il contrario.

Il Modello Standard infatti, per quanto solido, non è ancora abbastanza. Non riesce a unificare alle altre la quarta forza fondamentale, la gravità, per esempio; non prevede massa per i neutrini, né l’esistenza della materia oscura. Serve qualcos’altro dunque, qualche osservazione sperimentale che metta sulla traccia di una “nuova fisica”, in grado di abbracciare e superare il Modello Standard.

Esistono alcune teorie, ancora non dimostrate sperimentalmente, che provano a unificare la forza gravitazionale alle altre tre, includendo una trattazione quantistica della gravità. Abbiamo recentemente parlato di una di queste teorie, la supergravità, i cui “padri”, l’italiano Sergio Ferrara (Cern e associato Infn) l’americano Daniel Z. Freedman (Mit e Stanford University) e l’olandese Peter van Nieuwenhuizen (Stony Brook University), sono stati insigniti del premio Breakthrough 2019, una sorta di premio Oscar della fisica.

La supergravità unisce la relatività generale alla supersimmetria, teoria che assegna una particella partner ad ognuna delle particelle elementari finora conosciute. All’elettrone corrisponderebbe un (super)partner di nome selettrone, al quark uno squark, al gluone un gluino, al gravitone un gravitino. E così via. Osservare questi superpartner negli acceleratori di particelle darebbe il via a quella “nuova fisica” tanto agognata e porterebbe un passo più vicini alla grande unificazione delle quattro forze fondamentali. Oppure lascerebbe intravedere qualche particella ancora sconosciuta che si riveli il candidato ideale per la materia oscura.

Krzysztof Meissner, Università di Varsavia

Uno studio, condotto da Krzysztof A. Meissner, della University of Warsaw, e Hermann Nicolai, direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam, e da poco apparso sulla rivista Physical Review Letters, ipotizza l’esistenza di un gravitino supermassiccio come candidato per la materia oscura e fornisce anche un metodo per rivelarlo.

«L’idea comune è che la materia oscura sia formata da una particella elementare che non è stato ancora possibile rilevare perché interagisce con la materia ordinaria quasi esclusivamente attraverso la forza gravitazionale», spiega Nicolai. «In particolare, il nostro modello prevede l’esistenza di un gravitino massiccio, che – diversamente dai soliti candidati (assioni e Wimp) e diversamente dal gravitino leggero teorizzato finora – interagirebbe fortemente ed elettromagneticamente con la materia ordinaria».

Meissner e Nicolai esplorano la supersimmetria con un cambio di prospettiva. Non alle basse energie, trattazione dalla quale scaturisce il gravitino leggero teorizzato finora, ma alle alte energie, che portano alla presunta esistenza di un gravitino più massiccio. La massa di questa ipotetica particella è dell’ordine della massa di Planck, cioè più o meno un centomilionesimo di chilogrammo. Per quanto possa sembrare assurdo, questa è una massa notevole per un particella: per confronto, il protone è 10 miliardi di miliardi di volte meno massiccio.

Che le particelle candidate ad essere la materia oscura siano così massicce significa che non possono essere troppo abbondanti nell’universo, altrimenti ci sarebbe troppa massa, più di quella che si deduce dall’osservazione. Secondo questo modello basterebbe un gravitino supermassiccio ogni 10mila chilometri cubi per giustificare la quantità di materia oscura misurata nell’universo.

Hermann Nicolai, Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam

Se queste particelle esistessero e fossero in grado di interagire anche elettromagneticamente, sarebbero certo più facili da rivelare. Meissner e Nicolai suggeriscono di usare l’intero pianeta Terra come strumento di paleo-rivelazione.

Particelle massicce come questi gravitini si muoverebbero a velocità notevolmente più basse della velocità della luce, ma riuscirebbero comunque ad attraversare oggetti come un pianeta in virtù proprio della loro massa. Nei corso dei quattro miliardi e mezzo di anni circa in cui ha percorso la sua orbita attorno al Sole, la Terra dovrebbe aver subìto l’attraversamento di qualche gravitino.

«Le radiazioni ionizzanti causano difetti reticolari nelle strutture cristalline. Potrebbe essere possibile rilevare reliquie di tali tracce di ionizzazione in cristalli che rimangono stabili per milioni di anni», spiega Nicolai.

Anzi, proprio grazie a questo lungo “tempo di esposizione”, tale strategia di ricerca potrebbe anche avere successo nel caso in cui la materia oscura non sia distribuita in modo omogeneo all’interno delle galassie ma soggetta a fluttuazioni di densità locale. Cosa che potrebbe anche spiegare il fallimento registrato finora dalle ricerche per i candidati più convenzionali della materia oscura.

Per saperne di più: