Scoperto il lampo radio più distante mai osservato: ha viaggiato per 10,8 miliardi di anni

I fast radio burst (FRB) o lampi radio veloci sono brevissimi impulsi di onde radio provenienti dallo spazio profondo che durano generalmente pochi millisecondi. Per molto tempo, la loro origine fisica è rimasta un mistero e, secondo le principali ipotesi, potrebbero essersi originati da oggetti estremamente compatti ed energetici come le stelle di neutroni. Un team di ricerca ha recentemente identificato il più distante fast radio burst conosciuto, denominato FRB 20240304B, riuscendo a individuarne la galassia ospite grazie al telescopio spaziale James Webb.

La galassia è relativamente piccola e poco massiccia (la sua massa è circa mille volte inferiore a quella che il gruppo di ricerca si aspettava) caratterizzata da una struttura irregolare e con un'intensa attività di formazione stellare.

Il segnale presenta un redshift di circa 2,1, corrispondente a un'epoca in cui l'universo aveva appena 3 miliardi di anni. Il redshift misura quanto la luce viene “stirata” dall’espansione dell’universo durante il viaggio: più è alto il suo valore, più la sorgente è lontana e più indietro nel tempo stiamo osservando. La luce del lampo ha quindi viaggiato per circa 10,8 miliardi di anni prima di raggiungere la Terra.

Osservare un FRB nell’universo primordiale ha fornito agli scienziati ulteriori elementisulla misteriosa origine di questi rari fenomeni astronomici. Inoltre l’osservazione di un FRB così lontano ha permesso agli scienziati di studiare la distribuzione della materia dell’universo su grandi distanze, usando l’FRB come una sorta di torcia cosmica che illumina indirettamente il plasma intergalattico (cioè il gas primordiale disperso tra le varie galassie) presente lungo la linea di vista.

Che cosa sono i fast radio burst e perché sono misteriosi

La maggior parte degli FRB conosciuti proviene da altre galassie spesso lontane miliardi di anni luce.

Una delle ipotesi più accreditate che gli scienziati hanno sollevato per spiegarne la loro origine riguarda i magnetar, una particolare classe di stelle di neutroni caratterizzate da campi magnetici straordinariamente intensi.

Le stelle di neutroni sono oggetti molto compatti che possono formarsi quando una stella massiccia termina la propria evoluzione ed esplode come supernova. I magnetar, in particolare, possiedono campi magnetici che possono essere centinaia di migliaia di miliardi di volte più intensi di quelli del campo magnetico terrestre.

In una stella di neutroni la materia è compressa a densità altissime. Queste stelle hanno un raggio di appena una decina di chilometri e possono contenere una massa dell'ordine di quella del Sole. Durante il collasso della massa del nucleo stellare che dà origine alla stella di neutroni il campo magnetico iniziale della stella può essere amplificato enormemente (se il flusso magnetico si conserva durante il collasso, allora la riduzione del raggio della stella provoca un aumento dell'intensità del campo magnetico). La stella di neutroni diventa così una magnetar in rapida rotazione.

Il campo magnetico di un magnetar può essere sottoposto però a forti tensioni e con il tempo il campo magnetico esterno può riconfigurarsi bruscamente attraverso processi chiamati riconnessione magnetica (lo stesso fenomeno causa anche i brillamenti solari).

In una riconnessione la configurazione delle linee del campo cambia permettendo di liberare energia e accelerare particelle cariche producendo un'emissione elettromagnetica molto intensa.

Nel 2020 gli astronomi hanno rilevato un FRB proveniente dalla nostra stessa galassia associato al magnetar denominato SGR 1935+2154 e questa osservazione è stata fondamentale perché ha dimostrato che alcuni magnetar possono produrre segnali di questo tipo. Non ha però dimostrato che tutti i fast radio burst abbiano necessariamente la stessa origine.

Esistono infatti altre ipotesi, tra cui la fusione di due stelle di neutroni, e inoltre non è ancora escluso che fenomeni fisici differenti possano produrre FRB con caratteristiche diverse.

L’inaspettata origine in una galassia primordiale del FRB: lo studio

La scoperta di un FRB nella galassia ospite permette di ricostruire le condizioni in cui si è verificato il lampo ottenendo indizi sulla natura dell'oggetto che lo ha generato.

La ricerca si è sviluppata attraverso due fasi osservative complementari. La prima è avvenuta a marzo 2024, quando il progetto di ricerca MeerTRAP ha rilevato il lampo radio utilizzando MeerKAT, un sistema di radiotelescopi situato in Sudafrica. Le caratteristiche del segnale suggerivano che provenisse da una regione estremamente distante. Per determinarne la distanza con precisione tuttavia era necessario identificare la galassia da cui era partito.

Utilizzando successivamente James Webb Space Telescope il team di ricerca di astronomi è riuscito a rilevare la debolissima galassia ospite tramite lo spettrografo NIRSpec a misurarne il redshift, confermando l'enorme distanza cosmologica della sorgente.

La galassia che ospita FRB 20240304B appartiene a una fase evolutiva molto attiva e primordiale. Le sue caratteristiche suggeriscono che una parte consistente delle sue stelle possa essersi formata in un intervallo relativamente breve dell'ordine di 30 milioni di anni.

Questi dati hanno permesso agli scienziati di rafforzare l’ipotesi che il FRB possa essersi originato da un magnetar. Un magnetar può formarsi infatti in seguito all'esplosione di una stella massiccia e giovane molto abbondanti nelle galassie primordiali. La sua formazione può quindi avvenire relativamente presto dopo la nascita della stella progenitrice, senza richiedere i lunghi tempi necessari per altri possibili scenari.

I lampi radio come sonde della materia cosmica

L’osservazione degli FRB risulta importante come mezzo per misurare la materia ordinaria che si trova tra le galassie e che non riusciamo a osservare facilmente con i telescopi.

Infatti una parte consistente della materia barionica dell'universo, cioè quella composta da protoni, neutroni ed elettroni, non emette luce perché non forma stelle e galassie ma è molto rarefatta e diffusa. Si tratta del cosiddetto mezzo intergalattico (in inglese abbreviato IGM, ovvero intergalactic medium).

L’IGM è costituito soprattutto da idrogeno ed elio e in molte regioni dell’universo questi elementi sono ionizzati. L’IGM è formato infatti da un plasma, un gas composto da particelle cariche libere, cioè gli elettroni e i nuclei degli atomi.

La densità di questo plasma è estremamente bassa rispetto a quella dei gas che incontriamo sulla Terra come l’aria (inferiore di oltre venti ordini di grandezza, una differenza quasi inimmaginabile).

Tuttavia, poiché si estende su  enormi distanze cosmologiche, la quantità complessiva di materia può essere considerevole. Inoltre il gas intergalattico non è distribuito uniformemente, e una grande parte si concentra in enormi filamenti che collegano le galassie e gli ammassi di galassie, formando la cosiddetta rete cosmica.

Quando un impulso radio attraversa il plasma interagisce con gli elettroni liberi. La propagazione del segnale dipende dalla frequenza dell'onda radio. Le componenti dell’onda a frequenza più bassa arrivano generalmente più tardi di quelle a frequenza più alta.

Durante un FRB viene quindi emesso un impulso radio estremamente breve contenente diverse frequenze. Al momento della partenza dalla sorgente queste componenti sono concentrate in un intervallo temporale molto ristretto. Durante il viaggio attraverso il plasma dell’IGM le diverse frequenze accumulano ritardi differenti.

Quando il segnale raggiunge un radiotelescopio gli astronomi osservano quindi una caratteristica sequenza: le frequenze più alte arrivano prima, mentre quelle più basse giungono successivamente.

La particolarità è che questo ritardo dipende dalla quantità di elettroni liberi attraversati durante il viaggio. Maggiore è lo strato di elettroni lungo il percorso maggiore sarà, a parità di frequenza, il ritardo accumulato.

Quindi un impulso radio, anche se di pochi millisecondi come quello di un FRB, può conservare informazioni sulla distribuzione di materia intergalattica che ha incontrato lungo un viaggio di miliardi di anni luce.

Gli astronomi possono quindi studiare come varia la quantità di materia ionizzata (e mappare così il materiale intergalattico) lungo linee di vista cosmologiche attraverso le misure di FRB a distanze e direzioni differenti.

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