Lampi di raggi gamma: cosa sono, come si generano e come si osservano

I gamma-ray burst (GRB) o lampi di raggi gamma sono tra gli eventi elettromagnetici più luminosi ed energetici dell'universo. Essi sono in grado in pochi secondi di emettere lo stesso quantitativo di energia che il Sole emette nel suo intero ciclo vitale di 10 miliardi di anni. Il loro meccanismo di formazione è tutt'ora oggetto di ricerca, sebbene ci sia consenso nella comunità astronomica che i lampi gamma si formino a seguito di esplosioni di supernovae o fusioni di oggetti compatti come le stelle di neutroni.

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Cosa sono e come sono stati scoperti

I lampi di raggi gamma sono brevi impulsi di radiazione elettromagnetica nelle lunghezze d'onda gamma, caratterizzati cioè da una lunghezza d'onda molto più piccola di quella visibile ai nostri occhi, circa centinaia o migliaia di miliardesimi di metro. I lampi gamma sono tra i fenomeni elettromagnetici più energetici dell'Universo e, come suggerisce il nome stesso, sono caratterizzati da impulsi di durata breve che possono variare dai millisecondi alle centinaia di secondi. Proprio la durata dell'impulso energetico separa i lampi gamma in due diversi tipi, brevi e lunghi, originati come vedremo da due diversi meccanismi fisici.

Negli anni '60, durante la Guerra Fredda, per porre un freno alla proliferazione delle armi nucleari, gli Stati Uniti e l'Unione Sovietica firmarono un trattato per proibire i test nucleari in atmosfera e nello spazio. Per assicurarsi che non vi fossero violazioni, gli Stati Uniti lanciarono in orbita i satelliti Vela, in grado di rilevare i raggi gamma prodotti dalle esplosioni atomiche. Con grande sorpresa, durante il loro periodo di funzionamento, gli scienziati che operavano i satelliti rilevarono diversi raggi gamma provenire non dalla Terra, ma bensì dallo spazio profondo. Data la loro breve durata, gli scienziati chiamarono questi fenomeni gamma-ray burst o lampi di raggi gamma.

Per diversi anni, i lampi gamma sono rimasti un mistero per gli astronomi poiché gli strumenti utilizzati per rilevarli non avevano sufficiente risoluzione angolare e di conseguenza era pressoché impossibile identificare la sorgente celeste che li produceva. Era però chiaro che questi lampi gamma non provenivano dalla Via Lattea, bensì da altre galassie, poiché essi non si concentravano sul piano galattico, ma erano uniformemente distribuiti in cielo. La mancanza di una chiara identificazione della sorgente che li generava portò i fisici a formulare un gran numero di teorie sulla loro natura, tanto che ad un certo punto negli anni '90 vi erano più teorie che lampi gamma osservati.

Quali sorgenti generano i lampi gamma

La durata dei lampi di raggi gamma è strettamente correlata al meccanismo fisico che li produce. I lampi gamma lunghi, con durate dai secondi ai centinaia di secondi, sono generati dall'esplosione di supernovae e provengono per lo più da galassie a spirale con intensa formazione stellare che contengono stelle giovani e massicce. Secondo i modelli recenti, questi lampi si formano in stelle massicce che esplodendo in supernovae lasciano dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero. Il materiale stellare cadendo verso questo oggetto compatto viene accelerato a velocità tali da emettere raggi gamma.

I lampi gamma brevi, caratterizzati da una durata tra il millisecondo e i pochi secondi, provengono invece per la maggior parte da galassie ellittiche. Dato che queste ultime non contengono stelle giovani e massicce, i lampi gamma brevi non possono essere generati dalle supernovae. Secondo le teorie più recenti, essi sono generati dalla fusione di due stelle di neutroni o di una stella di neutroni ed un buco nero. Nell'orbitare uno attorno all'altro, i due oggetti sono soggetti a immense forze di marea che causano la distruzione dell'oggetto meno massiccio. Il materiale risultante viene attratto gravitazionalmente dall'altro oggetto e accelerato fino ad emettere lampi gamma.

Con quali strumenti si osservano i lampi gamma

I lampi gamma non possono essere osservati con i normali telescopi poiché questi ultimi sono progettati per rilevare la radiazione visibile. I raggi gamma hanno bisogno invece di un vero e proprio rilevatore di particelle per poter essere osservati, simile per concezione a quelli usati negli esperimenti di fisica delle particelle elementari.

Il principio alla base di questi rilevatori è quello di far interagire la radiazione gamma con diversi strati di materiale, tra cui silicio e tungsteno. Ad ogni interazione il lampo gamma perde energia fino ad arrestarsi del tutto. Analizzando quanti strati di materiale ha attraversato e con che angolazione, gli astronomi possono determinare l'energia e la direzione di provenienza della radiazione gamma. I maggiori telescopi operanti nella banda gamma sono i satelliti Swift e Fermi della NASA che osservano fuori dall'atmosfera terrestre poiché quest'ultima assorbe la maggior parte dei raggi gamma provenienti dallo spazio.

I lampi gamma però possono essere studiati anche in altre lunghezze d'onda grazie ad una loro peculiare caratteristica, il cosiddetto bagliore residuo o afterglow. L'emissione di lampi gamma è infatti generalmente accompagnata dall'emissione di materiale ad alta velocità. Quest'ultimo interagisce col mezzo interstellare depositando in esso energia, causandone il riscaldamento e la successiva emissione di radiazione luminosa in lunghezze d'onda X, ultra-violette e ottiche. Questo fenomeno permette, una volta identificata grossolanamente la direzione di provenienza di un lampo gamma, di identificare precisamente la sorgente celeste e di studiarla con telescopi tradizionali.