Indagine ai confini delle stelle di neutroni

Due dei ricercatori che hanno firmato lo studio. Da sinistra: Andrea De Luca e Ruben Salvaterra, entrambi dell’Inaf Iasf di Milano

Nome in codice Sfxt (dall’inglese supergiant fast X-ray transients), sono un sottogruppo di binarie X di grande massa, in cui una stella compatta – solitamente una stella di neutroni – accresce “rubando” materiale alla compagna, una supergigante blu. Il gas di particelle del vento solare che dalla supergigante va a cadere sulla superficie della stella compatta, nel processo, aumenta la sua temperatura tanto da emettere radiazione X. Questa emissione, diversamente da quanto ci si potrebbe aspettare, non è costante, ma presenta dei picchi molto intensi (flare). Picchi che possono essere fino a centinaia o persino migliaia di volte più alti del flusso medio, ma che durano relativamente poco: qualche decina di ore al più.

Uno studio pubblicato lo scorso 10 maggio su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, condotto da ricercatori dell’Inaf di Milano, ha individuato la responsabile di questa variabilità nell’emissione in banda X delle Sfxt: pare che sia la magnetosfera della compagna compatta, la stella di neutroni.

«Grazie all’uso delle osservazioni d’archivio del satellite Xmm-Newton, abbiamo studiato le proprietà dei flare di una manciata di Sfxt», dice a Media Inaf la prima autrice dell’articolo, Lara Sidoli, dell’Inaf Iasf Milano. «Ne è emersa una grande varietà di durata, di energia emessa e di luminosità massima al picco dei loro flare. Confrontando queste proprietà con la teoria, abbiamo trovato che esse possono essere spiegate da un particolare tipo di instabilità (detta di Rayleigh-Taylor) che si realizza ai confini della magnetosfera della stella di neutroni. In pratica, solo sotto determinate condizioni fisiche questa instabilità della magnetosfera della stella di neutroni “apre la porta” all’ingresso della materia catturata, che può finalmente cadere verso la superficie della stella di neutroni, emettendo raggi X a intermittenza, sotto forma di flare».

Questo spiegherebbe le irregolarità dell’emissione X di questi sistemi binari.

Distinguere i vari flare non è semplice, e l’aspetto più originale dello studio sta proprio nell’uso di un modo più efficiente di ricostruire l’emissione (la “curva di luce”) delle binarie e le caratteristiche distintive dei flare. Gli autori utilizzano il metodo dei “blocchi bayesiani”, che permette di suddividere i dati a disposizione in intervalli di ampiezza variabile che meglio si adattano a descrivere la curva.

«La curva di luce così prodotta permette di individuare in maniera immediata aumenti improvvisi del tasso di conteggi, e quindi di selezionare i flare di una sorgente senza usare modelli per la forma del segnale», spiega Ruben Salvaterra, co-autore dello studio, anch’egli dell’Inaf Iasf Milano. «Questo rende possibile misurare parametri quali, ad esempio, durata, tempo di salita e tempo di decadimento per tutti i flare, in maniera sistematica, omogenea e automatizzata».

«Il lavoro sui flare delle Sfxt è il primo esempio di sfruttamento sistematico di questo metodo per una specifica classe di sorgenti. Si tratta solo dell’inizio», sottolinea Andrea De Luca dell’Inaf Iasf Milano, anch’egli co-autore dello studio. «All’interno del progetto Extras (Exploring the X-ray Transient and variable Sky) abbiamo prodotto curve di luce con questo approccio per tutte le sorgenti osservate da Xmm-Newton. Si tratta di uno strumento molto potente per identificare e caratterizzare qualunque fenomeno di variabilità temporale. È naturale quindi pensare che altri gruppi vorranno utilizzare questi prodotti per studiare le loro classi di sorgenti preferite. I prodotti di Extras sono pubblici e possono essere scaricati dal sito del progetto».

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Galassie mai viste nella nuova mappa di Lofar

L’ammasso di galassie Abell 1314 si trova nella costellazione dell’Orsa Maggiore a una distanza di circa 460 milioni di anni luce dalla Terra. L’oggetto ospita emissioni radio su larga scala che sono state causate dalla sua fusione con un altro cluster. Le emissioni radio non termiche rilevate con il telescopio Lofar sono mostrate in rosso e rosa, e l’emissione termica dei raggi X rilevata con il telescopio Chandra è mostrata in grigio, sovrapposta a un’immagine ottica. Crediti: Amanda Wilber/Lofar Surveys Team

Un gruppo internazionale di oltre 200 ricercatori provenienti da 18 paesi, tra cui alcuni dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e dell’Università di Bologna, ha pubblicato la prima tornata di articoli riguardanti la fase iniziale di un’importante survey realizzata con il potente telescopio europeo Low Frequency Array (Lofar), la più estesa rete per osservazioni radioastronomiche in bassa frequenza al mondo attualmente operativa. I ricercatori hanno rilevato centinaia di migliaia di galassie finora avvolte nel mistero, gettando nuova luce su molte aree di ricerca tra cui fisica dei buchi neri e lo studio dell’evoluzione degli ammassi di galassie. I primi 25 articoli che descrivono questi risultati (uno degli articoli è a prima firma italiana) sono stati pubblicati oggi in un numero speciale della rivista scientifica Astronomy & Astrophysics.

La radioastronomia permette di studiare aspetti dei fenomeni celesti che non sono accessibili in altre bande. Durante questa prima fase di rilevazioni, le antenne Lofar (25mila, raggruppate in 51 stazioni distribuite al momento in 7 stati europei) hanno osservato un quarto dell’emisfero settentrionale a basse frequenze. Con questi articoli, circa il 10 per cento dei dati viene reso pubblico. Lofar ha tracciato 300 mila sorgenti, quasi tutte galassie nel lontano Universo: i loro segnali radio hanno viaggiato miliardi di anni luce prima di raggiungere la Terra.

Questa immagine mostra come il radiotelescopio Lofar apre una nuova era per lo studio dell’Universo. In grigio è mostrata una porzione di cielo in luce visibile. Le tonalità arancioni mostrano la radiazione radio che viene emessa nella stessa parte del cielo. L’immagine radio sembra completamente diversa e cambia le nostre ipotesi su come le galassie nascono e si sviluppano. Crediti: Rafael Mostert/Lofar Team/Sloan Digital Sky Survey DR13

Lofar ha una sensibilità notevole e questo permette di rispondere a molte domande sulla formazione ed evoluzione dei buchi neri: per esempio è possibile vedere che getti di materiale sono presenti in tutte le galassie più massicce, il che significa che i loro buchi neri non smettono mai di “mangiare”. Ma con le antenne progettate e sviluppate da Astron, l’Istituto olandese per la radioastronomia, è possibile studiare nel dettaglio anche gli ammassi di galassie, cioè raggruppamenti di centinaia di migliaia di galassie circondate da un gas a temperature di centinaia di milioni di gradi: quando due ammassi interagiscono fra loro, producono emissioni radio che viaggiano per milioni di anni luce. Le antenne di Lofar sono progettate per essere sensibili proprio a queste emissioni.

«Quello che stiamo iniziando a vedere con Lofar», spiega Annalisa Bonafede, professoressa associata dell’Università di Bologna e ricercatrice dell’Inaf – Ira di Bologna, «è che, in alcuni casi, anche gli ammassi di galassie che non mostrano evidenza di forti interazioni possono mostrare questa emissione, ma a un livello molto basso che comunque in precedenza non era rilevabile. Questa scoperta ci dice che anche gli eventi di interazione minore fra ammassi possono innescare meccanismi di accelerazione di particelle su enormi scale».

La creazione di mappe radio a bassa frequenza richiede sia un notevole tempo di utilizzo dei telescopi che di calcolo ed è necessario l’impiego di grandi team per l’analisi dei dati. Le antenne di Lofar producono un’immensa quantità di dati – basti pensare che gli esperti hanno elaborato l’equivalente di dieci milioni di Dvd di dati.

Mappa con la distribuzione delle stazioni osservative che compongono Lofar. Crediti: Astron

«Questa serie di articoli vede un coinvolgimento significativo di ricercatori e associati Inaf a dimostrazione della vitalità della comunità radioastronomica Italiana. Oggi l’Inaf guida un consorzio nazionale che è membro della collaborazione Lofar e pertanto nell’immediato futuro ci aspettiamo un contributo molto importante all’esplorazione dei dati Lofar da parte della nostra comunità», aggiunge Gianfranco Brunetti, primo ricercatore all’Inaf – Ira di Bologna che da alcuni anni guida le ricerche Lofar nell’ambito degli ammassi di galassie, nonché coordinatore del consorzio Lofar italiano. «Inoltre va detto che oggi stiamo sviluppando degli strumenti per l’analisi dei dati Lofar che sono molto più potenti di quelli utilizzati in questi primi articoli e che ci permetteranno di ottenere immagini ancora più profonde e dettagliate».

I 25 articoli pubblicati nel numero speciale di Astronomy & Astrophysics sono stati condotti solo con il primo 2 per cento del rilevamento del cielo. Il team mira a ottenere immagini ad alta risoluzione dell’intero cielo del nord, rivelando così 15 milioni di sorgenti radio in totale.

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Per saperne di più:

  • Guarda sul sito di Lofar le altre immagini della survey
  • Consulta il numero speciale di Astronomy & Astrophysics “Lofar Surveys”. I ricercatori italiani che hanno partecipato, a vario titolo, a 21 dei 25 articoli sono: per l’Inaf (Ira di Bologna, Iasf Milano, Osservatorio di Cagliari) A. Botteon, M. Brienza, G. Brunetti, E. Carretti, R. Cassano, V. Cuciti, F. Gastaldello, R. Paladino, I. Prandoni, V. Vacca; per l’Università di Bologna A. Bonafede, F. Vazza e D. Dallacasa. Ricordiamo che l’Inaf guida un consorzio nazionale di cui fa parte anche il dipartimento di fisica dell’Università di Torino e ha pianificato di investire in Lofar circa 2,5 milioni di euro, da aprile 2018 e per i prossimi 4 anni, e parteciperà con il suo personale allo sviluppo della nuova generazione di dispositivi elettronici allo stato dell’arte che equipaggeranno il radiotelescopio diffuso europeo.

Ecco “the Cow”, il primo muggito del buco nero

La cupola di un telescopio ottico con le rappresentazioni di una stella di neutroni (sx) e un buco nero in accrescimento (dx). Crediti: D. Maturana & Noao / Aura / Nsf; Nasa / Penn State University / Casey Reed; Nasa Goddard Space Flight Center

È probabilmente nato “senza camicia” il corpo celeste super-compatto (un buco nero di massa stellare o una stella di neutroni fortemente magnetizzata) partorito dell’anomala esplosione, molto più luminosa e rapida di una normale supernova, vista comparire lo scorso giugno nella galassia nana Cgcg 137-068 a 200 milioni di anni luce dalla Terra, nella direzione della costellazione di Ercole.

Sarebbe dunque la prima volta che viene osservata l’emissione associata alla nascita di una stella di neutroni o di un buco nero in accrescimento, normalmente oscurata dai densi strati di polveri e gas residui dal collasso gravitazionale di una stella massiccia a fine vita.

Questa la conclusione di uno studio, in via di pubblicazione su Astrophysical Journal, condotto da una vasta collaborazione internazionale guidata dall’italiana Raffaella Margutti della statunitense Northwestern University, a cui hanno partecipato anche ricercatrici e ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.

«Sappiamo dalla teoria che buchi neri e stelle di neutroni si formano quando una stella massiccia muore, ma non li abbiamo mai visti subito dopo la loro nascita», commenta Margutti.

Tutto inizia il 17 giugno 2018, quando i telescopi gemelli Atlas alle Hawaii individuano una nuova luce in cielo, simile a una supernova ma dalle caratteristiche peculiari e inedite. A questo “oggetto transiente”, che accende immediatamente l’interesse di astrofisici di tutto il mondo, viene assegnata la sigla At2018cow, e quindi – inevitabilmente – denominato “the Cow”, ovvero “la Mucca”.

Immagine ripresa dal W.M. Keck Observatory in Maunakea, Hawaii (Usa) di come si presentava “the Cow” circa 80 giorni dopo l’esplosione iniziale. Crediti: R. Margutti / Northwestern University

«Pensavamo di trovarci di fronte a una supernova», spiega Margutti, «ma quello che andavamo osservando sfidava le nostre attuali conoscenze su come si comporta una stella al termine della propria vita».

In primo luogo, spiegano gli autori del nuovo studio, “la Mucca” era insolitamente brillante, da 10 a 100 volte più luminosa di una tipica supernova. Inoltre, è apparsa e scomparsa molto più velocemente di altre esplosioni stellari note, facendo raggiungere alle particelle di materia espulse velocità fino a 30mila chilometri al secondo, un decimo della velocità della luce. Infine, l’evento ha raggiunto il “picco” molto velocemente, emettendo in soli 16 giorni la maggior parte del suo potere energetico.

Visto l’estremo interesse, “la Mucca” è stata osservata in vari momenti da diversi telescopi, sia terrestri che spaziali, coprendo quasi tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma.

Grazie all’analisi spettroscopica eseguita con telescopi ottici, Margutti e il suo team hanno determinato la composizione chimica della “Mucca”, trovando chiari segni della presenza di idrogeno ed elio. Un fatto che ha portato a escludere come origine dell’esplosione la fusione di due oggetti compatti, sul genere della kilonova Gw170817 dell’estate 2017.

Un po’ di chiarezza in più è venuta dalle osservazioni in altre lunghezze d’onda eseguite subito dopo la comparsa dell’oggetto, in particolare con radiotelescopi terrestri e con vari telescopi spaziali, tra cui gli osservatori per raggi X NuStar della Nasa e Xmm-Newton dell’Esa e l’osservatorio per raggi gamma Integral dell’Esa.

Giulia Migliori. Crediti: Inaf / Stefano Parisini

«L’emissione X di 18cow è stata decisamente “movimentata”, con componenti in rapida evoluzione, ed è stato cruciale utilizzare osservatori con caratteristiche diverse (Xmm-Newton, Integral e NuStar) per studiarla», racconta a Media Inaf Giulia Migliori dell’Inaf di Bologna, tra gli autori del nuovo studio. «In base alle proprietà osservate, pensiamo che l’emissione X provenga direttamente dalla sorgente centrale che alimenta “the Cow”, che potrebbe essere un oggetto compatto (un buco nero o una stella di neutroni) appena formatosi».

Mentre una tipica esplosione dovuta al collasso di una stella massiccia a fine vita produce attorno a sé una densa nube di detriti, uno spesso mantello che blocca la visione agli astronomi su quello che succede al suo interno, “la Mucca” sembra essere al confronto quasi “nuda”.

Dai dati raccolti in circa tre mesi di osservazioni, il gruppo di ricerca ha infatti dedotto che l’evento all’origine della “Mucca” ha lasciato 10 volte meno materiale rispetto a una tipica esplosione stellare. Non solo: i detriti si sarebbero disposti in maniera asimmetrica, lasciando come delle “finestre aperte” proprio verso la visuale terrestre.

In sostanza, l’inusuale carenza di materiale residuo dall’esplosione stellare ha permesso agli astronomi, per la prima volta, di guardare direttamente il “motore centrale” dell’oggetto, un probabile buco nero o una stella di neutroni.

Rappresentazione artistica di un’esplosione cosmica con un “motore centrale”, come quello suggerito per ATt2018cow. Il buco nero al centro sta attraendo materiale che forma un disco in rapida rotazione che irradia abbondanti quantità di energia e origina getti super-veloci di materiale da suoi poli. I getti interagiscono con il materiale circostante l’esplosione. Crediti: Bill Saxton, Nrao/Aui/Nsf

L’eccesso di luminosità osservato per “la Mucca” deriverebbe quindi da un meccanismo ben noto, ovvero l’interazione dei detriti con il buco nero o la stella di neutroni verso cui vengono attratti con un moto vorticoso subito dopo la nascita del corpo compatto. Nel caso specifico, particolari condizioni ambientali, ancora da chiarire, hanno permesso alla radiazione di uscire dal guscio di detriti ed essere osservata.

«Questo ci dà un punto di vista inedito sui fenomeni di formazione ed evoluzione dei buchi neri», aggiunge Migliori, «soprattutto per persone che come me invece sono abituate a lavorare su oggetti che si sono formati da milioni di anni. Per chi lavora sui buchi neri tutti i giorni, questo è qualcosa di estremamente differente».

La natura esatta della “Mucca” è ancora in discussione tra gli scienziati e si attendono nuovi risultati da altri telescopi, mentre gli autori del nuovo studio cercano di cogliere gli ultimi flebili segnali dalla sorgente.

«Un’importante tessera del mosaico di osservazioni di At2018cow in tutte le bande dello spettro elettromagnetico è stata ottenuta con il satellite Integral, che a più di 16 anni dal lancio continua a funzionare a pieno regime  fornendo dati fondamentali nella banda gamma, anche grazie al continuo supporto dei ricercatori dell’Inaf» commenta Sandro Mereghetti, ricercatore dell’Inaf di Milano, anch’egli nel team che ha realizzato lo studio. «La campagna osservativa è ancora in corso e speriamo che le nuove osservazioni in raggi X contribuiscano a comprendere questo incredibile evento», conclude Migliori.

Per saperne di più:

  • Leggi l’anteprima dell’articolo in corso  di pubblicazione sulla rivista The Astrophysical Journal nell’articolo “An embedded X-ray source shines through the aspherical AT2018cow: revealing the inner workings of the most luminous fast-evolving optical transients”, di R. Margutti, B. D. Metzger, R. Chornock, I. Vurm, N. Roth, B. W. Grefenstette, V. Savchenko, R. Cartier, J. F. Steiner, G. Terreran, G. Migliori, D. Milisavljevic, K. D. Alexander, M. Bietenholz, P. K. Blanchard, E. Bozzo, D. Brethauer, I. V. Chilingarian, D. L. Coppejans, L. Ducci, C. Ferrigno, W. Fong, D. GÖtz, C. Guidorzi, A. Hajela, K. Hurley, E. Kuulkers, P. Laurent, S. Mereghetti, M. Nicholl, D. Patnaude, P. Ubertini, J. Banovetz, N. Bartel, E. Berger, E. R. Coughlin, T. Eftekhari, D. D. Frederiks, A. V. Kozlova, T. Laskar, D. S. Svinkin, M. R. Drout, A. Macfadyen e K. Paterson

Guarda il servizio video di MediaInaf Tv:

Propeller, un fenomeno universale

Rappresentazione artistica di una pulsar circondata da un disco di accrescimento di materia. Crediti: Nasa

Tutti da bambini hanno provato un leggero giramento di testa salendo su una giostra. Per fortuna la giostra non ruota troppo velocemente. Se lo facesse ci si sentirebbe proiettati verso l’esterno. Lo stesso avviene per la materia che tenta di accrescere su una stella dotata di campo magnetico e che ruota rapidamente su sé stessa. Se la materia è ionizzata (e quindi carica elettricamente), viene costretta a seguire le linee del campo magnetico della stella che la trascina alla sua velocità di rotazione. Se però la stella ruota troppo velocemente la materia viene respinta verso l’esterno (come per la giostra), e non riesce ad arrivare alla superficie della stella.

Questo effetto si chiama propeller e richiede come ingredienti solamente una stella con un po’ di campo magnetico e una sufficiente velocità di rotazione. Ad esempio, una stella di neutroni che compie circa 500 rotazioni al secondo e con un campo magnetico cento milioni di volte più intenso di quello della Terra riesce a bloccare e respingere la materia che cade alla velocità strabiliante di circa 50mila chilometri al secondo, ovvero un sesto della velocità della luce. Un team tutto composto da ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica ha studiato questo fenomeno e realizzato un articolo pubblicato oggi sulla rivista Astronomy&Astrophysics. «Il meccanismo in sé è universale» dice Sergio Campana, dell’Inaf di Milano, che ha coordinato il team, di cui fanno parte Luigi Stella (Inaf di Roma), Sandro Mereghetti (Inaf di Milano) e Domitilla de Martino (Inaf di Napoli). «In questo lavoro abbiamo esaminato le sue conseguenze in diverse classi di sorgenti contenenti una stella di neutroni o una nana bianca o una stella in formazione. Abbiamo così campionato scale e ambienti molto diversi, dimostrando empiricamente l’universalità del propeller».

Per far questo, innanzitutto i ricercatori hanno dovuto trovare un’evidenza osservativa dell’instaurarsi del processo andando a esaminare sorgenti in cui la luminosità osservata deriva dal fenomeno dell’accrescimento. La loro luminosità è cioè prodotta dalla materia che cade sulla stella e quindi è tanto più intensa quanta più materia accresce sul corpo celeste. All’instaurarsi del propeller la luminosità dovrebbe cessare o diminuire significativamente perché la materia non può più accrescere ma viene respinta. Studiando sorgenti variabili appartenenti a diverse classi, ma per cui il periodo di rotazione e l’intensità del campo magnetico fossero note, i ricercatori hanno determinato a quale luminosità si osserva l’effetto propeller.

«Questo ci ha permesso di verificare su base puramente osservativa la relazione prevista dalla teoria classica tra le quantità fondamentali in gioco, come il periodo di rotazione il campo magnetico e luminosità», aggiunge Campana. «La cosa sorprendente, che dimostra quanto la teoria sia fondamentale, è che questa relazione è valida per oggetti molto diversi tra loro che hanno periodi di rotazione da pochi millisecondi a diversi giorni e campi magnetici che differiscono di un fattore un miliardo. La teoria classica dell’accrescimento trova quindi una delle prime conferme osservative dirette su un intervallo di parametri così ampio».

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E se la velocità della luce non fosse costante?

Rappresentazione artistica di due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come kilonova. L’impulso di radiazione emessa è un lampo di raggi gamma (Grb) corto. Crediti: Eso/L. Calçada/M. Kornmesser

La velocità della luce nel vuoto è una costante di natura. Anzi, non proprio. Alcune teorie quantistiche della gravità minano questa certezza, suggerendo che i fotoni, i “quanti” di luce, potrebbero viaggiare a velocità diverse che dipendono dalla loro energia. Per indagare questa ipotesi e soprattutto provare a quantificare l’entità di questo effetto, un gruppo di ricercatori guidati da Maria Grazia Bernardini, ora in forza all’Università di Montpellier in Francia e associata Inaf, che ha visto la partecipazione di colleghi dell’Istituto nazionale di astrofisica di Milano, ha realizzato uno studio sulla luce emessa dai lampi di raggi gamma (Gamma-Ray Burst, Grb) corti, potenti esplosioni cosmiche legate alla fusione di stelle di neutroni. I risultati di questa indagine, pubblicati in un articolo sulla rivista Astronomy & Astrophysics, forniscono un nuovo limite sull’energia dei fotoni oltre il quale gli effetti di gravità quantistica diventano importanti e rappresentano un passo importante per l’utilizzo dei GRB corti come strumento per studiare gli aspetti più estremi della Fisica.

Uno dei concetti fondamentali della fisica moderna riguarda la cosiddetta duplice natura della luce. La luce infatti si può descrivere come un’onda elettromagnetica ma, allo stesso tempo, ha proprietà tipiche delle particelle, che in questo caso vengono chiamate fotoni. Ad ogni determinata lunghezza d’onda della luce corrisponde un’energia del fotone associato. La teoria della relatività speciale di Einstein prevede che la luce nel vuoto viaggi ad una velocità costante “c” circa uguale a 300mila chilometri al secondo, quale che sia l’energia dei fotoni. Tuttavia, alcune teorie quantistiche della gravità considerano il vuoto come un “mezzo gravitazionale”. Secondo queste teorie, questo “mezzo gravitazionale” conterrebbe delle disomogeneità – o fluttuazioni – estremamente piccole, dell’ordine della cosiddetta “lunghezza di Planck” pari a 10-33 cm, ovvero 10 miliardi di miliardi di volte più piccola del diametro di un protone. Una sorprendente conseguenza della presenza di queste disomogeneità sarebbe che fotoni di diversa energia non viaggerebbero più tutti a alla stessa velocità nel vuoto, ma potrebbero avere velocità differenti che dipendono dalla loro energia: maggiore è l’energia del fotone, maggiore sarà l’effetto dovuto alla gravità quantistica. Se così fosse, verrebbe però violata la cosiddetta Invarianza di Lorentz, che è proprio il principio fisico alla base della relatività speciale.

Maria Grazia Bernardini

«Considerando l’ipotesi che effettivamente la velocità dei fotoni sia anche legata alla loro energia, avremmo che due fotoni emessi nello stesso momento con energia diversa e che si propagano nel vuoto quantistico, accumulano un ritardo l’uno rispetto all’altro» dice Bernardini. «Questo ritardo, se misurato, può essere usato per studiare le proprietà dello spazio-tempo e della gravità quantistica». Il problema è che questo effetto è talmente piccolo che è necessario che i fotoni viaggino per miliardi di anni per accumulare un una separazione temporale dell’ordine del millesimo di secondo. «Quindi, cosa ci serve per poter sperare di misurare un effetto di gravità quantistica? Una sorgente molto luminosa, distante da noi almeno qualche miliardo di anni luce e che emetta fotoni ad alta energia» prosegue la ricercatrice. «Ma si deve anche comportare bene: vorremmo che emettesse i fotoni allo stesso istante, quindi processi intrinseci che comportino che alcuni fotoni partano prima o dopo altri non andrebbero bene. Un modo per andare sul sicuro, è selezionare sorgenti astrofisiche che abbiano processi di emissione elettromagnetica di durata il più breve possibile e di avere molti oggetti, in modo da contaminare poco la nostra misura con eventuali ritardi dovuti a processi intrinseci».

In questo contesto, i lampi di raggi gamma rappresentano le sorgenti ideali per questo tipo di studi. Si tratta infatti di esplosioni talmente potenti che è possibile osservarle fino a distanze di decine di miliardi di anni luce. I ricercatori hanno così studiato il ritardo di arrivo dei fotoni a energie di qualche decina-centinaia di kiloeletronvolt emessi dai Grb corti rilevati dal satellite Swift, una missione Nasa con partecipazione del Regno Unito e dell’Italia grazie al contributo di Inaf e Asi. Conoscendo la distanza di questi eventi e potendo sottrarre l’effetto intrinseco di ritardo dell’emissione dei fotoni il team ha ottenuto un nuovo limite sull’energia oltre la quale gli effetti di gravità quantistica diventano importanti.

«Il lavoro mette in luce quanto sia necessario avere satelliti che misurano con precisione l’energia e il tempo di rivelazione dei fotoni emessi da queste sorgenti per misurare un effetto così piccolo come quello indotto dalla gravità quantistica sulla velocità di propagazione della luce» conclude Bernardini. Anche se il limite ottenuto non permette ancora di convalidare o escludere alcuna teoria di gravità quantistica, il metodo di analisi proposto mostra come in futuro sarà possibile usare i Grb corti come sonde per studiare la ‘rugosità’ dello spazio-tempo con gli strumenti di nuova generazione previsti per i prossimi anni. Ad esempio, con il Cherenkov Telescope Array sarà possibile rivelare l’emissione elettromagnetica dei Grb ad energie pari a qualche teraelettronvolt (migliaia di miliardi di elettronvolt), dove fino ad ora queste sorgenti non sono ancora state rivelate, ma anche la rete di microsatelliti Hermes potrà contribuire significativamente a questi studi. Con le sue capacità di risoluzione temporale, Hermes rappresenterà infatti una sorta di cronometro estremamente preciso per la misura di eventuali ritardi nell’arrivo dei fotoni alle diverse energie emessi dai Grb.

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