Lampo nella notte

di: Patrizia Caraveo

Professoressa, nel 2009 è stata insignita del Premio Nazionale Presidente della Repubblica. Nel 2014 Women in Aerospace Europe le ha conferito l’Outstanding Achievement Award e Thomson Reuters l’ha inserita nella lista degli Highly Cited Researchers, oltre a ricevere il titolo di Commendatore dell’Ordine al Merito della Repubblica Italiana. 

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Immaginiamo un lampo nella notte: dura un attimo, è brillantissimo poi scompare. Come fare a capire da che direzione è venuto? Cosa l’ha prodotto?

Sono queste le domande che si ponevano gli scienziati americani che cercavano di interpretare i dati raccolti dai primi rivelatori per raggi gamma, messi in orbita dal Dipartimento della difesa americano, allo scopo di controllare l’applicazione dei patti sulla messa al bando degli esperimenti nucleari nell’atmosfera.

Poiché l’esplosione di una atomica produce, tra l’altro, radiazione gamma, tra il 1963 ed il 1970, i laboratori di Los Alamos costruirono sei satelliti VELA, muniti di rivelatori omnidirezionali di raggi gamma che dovevano tenere sotto controllo tutta la Terra.

In verità, al momento della ratifica del trattato ci si era chiesti se l’esplosione di una supernova potesse essere confusa con una esplosione termonucleare. Ci si era però convinti che, vista la rarità del fenomeno, le supernove non avrebbero messo a repentaglio la pace mondiale. I satelliti Vela rivelavano emissioni gamma di origine solare relativamente facile da riconoscere, ma, nel 1969, si trovò un evento che non appariva venire né dal sole né dalla Terra. Si trattava di un evento molto intenso che per qualche secondo aveva offuscato il resto del cielo gamma. Per localizzarlo, i satelliti Vela avevano usato la tecnica del tempo di volo che, a partire dalla differenza del tempo di arrivo dello stesso evento registrato da vari satelliti, permette di calcolare, più o meno precisamente, la direzione d’arrivo. I satelliti Vela erano in grado di localizzare l’evento all’interno di diversi gradi, abbastanza per escludere il sole ed i pianeti ma totalmente insufficienti per identificare la sorgente celeste. Tre anni dopo, il conteggio degli eventi inspiegabili ed intensissimi era arrivato a 16 e nel 1973 la notizia della scoperta, non più coperta da segreto militare, veniva resa nota alla comunità scientifica mondiale.

Di che cosa si trattava? Quale oggetto celeste era responsabile del flusso che accecava gli strumenti per poi scomparire immediatamente?

Il grande astrofisico John Bahcall amava dire che in astronomia si vive una situazione simile a quella che si incontra nel mercato immobiliare dove le caratteristiche che rendono una proprietà più desiderabile di un’altra sono tre: la posizione, la posizione, la posizione.

Infatti, per poter dire quale fosse il corpo celeste responsabile dell’emissione bisognava avere una posizione precisa del lampo e sperare di poterlo identificare con qualche oggetto celeste noto. Questo avrebbe permesso di avere un’idea anche della loro distanza: il punto cruciale di qualunque storia astronomica. Poiché i lampi gamma (gamma-ray bursts, in inglese) sembravano provenire da regioni qualunque nel cielo, si scelse di utilizzare strumenti in grado di scrutare tutto il cielo, posizionati il più lontano possibile, nello spazio interplanetario, per poter sfruttare al meglio la tecnica del posizionamento basato sulla differenza dei tempi di arrivo tra i diversi satelliti.  La relativa semplicità tecnica degli strumenti e il loro peso contenuto fece sì che fosse possibile ospitarli su missioni già programmate, evitando i ritardi che normalmente si registrano tra la scoperta di un nuovo fenomeno ed il suo studio dettagliato mediante l’uso di sistemi spaziali. Nel  ‘79 la rete di satelliti era già operativa.

La triangolazione e la rete interplanetaria

Per capire come funziona la triangolazione interplanetaria,  supponiamo di disporre di due satelliti S1 ed S2 attivi simultaneamente in posizioni diverse (ma ben note) nello spazio interplanetario. Il burst è schematizzabile come un fronte d’onda piano che viene rivelato dai due satelliti in tempi che differiscono di un t  che è lo strumento prezioso che ci consente  di calcolare l’angolo  che definisce il cono delle possibili direzioni d’arrivo.

l burst gamma può essere arrivato da qualsiasi punto dell’anello 1-2. Se i satelliti disponibili fossero tre, si potrebbe ripetere la stessa analisi tra S3 ed S2 (o S1, converrà scegliere i satelliti tra di loro più distanti) ed ottenere un anello 3-2 che intersecherà la curva c in due punti che rappresenteranno le direzioni d’arrivo possibili.

La possibilità di usare un quarto satellite toglierebbe ogni ambiguità, ovviamente all’interno degli errori di determinazione degli angoli  1 e  2. Gli anelli hanno per “spessore” l’errore nella determinazione degli angoli. Per questo è opportuno utilizzare satelliti quanto più possibile distanti tra loro capaci di registrare il tempo di arrivo del burst con quanta più precisione possibile. E’ chiaro che per ottenere prestazioni elevate si può agire sull’uno o sull’altro parametro. A parità di prestazioni degli strumenti quello che paga è la maggiore distanza possibile tra i satelliti che hanno a bordo i rivelatori. Questo spiega perché le sonde interplanetarie siano state di così grande importanza per lo studio dei burst gamma. Grazie all’entusiasmo suscitato dalla recente scoperta, diverse sonde interplanetarie vennero equipaggiate con rivelatori di lampi gamma. Si trattava di Helios2, in orbita intorno al sole, del Pioneer Venus Orbiter, in orbita intorno a Venere, e delle sonde sovietiche Venera 11 e 12 al di là di Venere. Anche rivelatori in orbita intorno alla terra possono contribuire al miglioramento della posizione. Per questo la prima “rete” interplanetaria comprendeva anche otto satelliti in orbite basse: il sovietico Prognoz e gli americani Solar Maximum Mission, Einstein Observatory, Vela 5a,5b, 6a e 6b e l’International Sun Earth Explorer 3, in orbita al punto Lagrangiano.  Grazie a questa “rete” si sono ottenute delle ottime triangolazioni di burst gamma: si è trattato di una settantina di eventi che, in virtù della rivelazione simultanea di più rivelatori, sono stati posizionati con precisione tanto migliore quanti più satelliti si son potuti usare. Ovviamente la probabilità che un evento venga rivelato dipende dalla sua fluenza: eventi più intensi avranno probabilità maggiore di essere rivelati da diversi strumenti (che funzionano con logiche leggermente diverse) e potranno essere posizionati con maggiore accuratezza.  Campione indiscusso di questa epoca eroica è stato l’evento del 5 marzo 79 noto come GRB 790305b (i lampi gamma vengono indicati con la data delle rivelazione con la notazione americana anno-mese-giorno e una lettera per distinguere gli eventi avvenuti nello stesso giorno, questo era il secondo del 5 marzo 1979) brillantissimo visto da 9 satelliti. La sua localizzazione ha potuto essere fatta sfruttando tre a tre i 9 satelliti disponibili: grazie a questa notevole ridondanza (oltre che ad un tempo di salita di appena 0.25 msec) GRB790305b ha una scatola d’errore piccolissima 6″x30″,che coincide con un resto di supernova N49 nella grande nube di Magellano. Tuttavia, paragonare dati di 9 strumenti aveva richiesto molto lavoro e la possibile sorgente di questo lampo è stata annunciata 3 anni dopo il burst quando è evidentemente troppo tardi per andare a cercare qualche traccia dell’evento.

Strumenti dedicati e IPN ringiovanito

Per velocizzare il posizionamento è meglio disporre di un unico satellite progettato per questo.  Il primo è stato Batse a bordo del Compton Gamma-Ray Telescope, lanciato nel 1990. La sua risoluzione angolare era abbastanza grossolana ma il risultato era immediato. Batse ha scoperto che i GRB sono uniformemente distribuiti sulla volta celeste (quindi o sono molti vicini o sono molto lontani) e che si dividono in due grandi gruppi quelli corti e quelli lunghi con una divisione netta a 2 secondi.

Nel 1997 viene lanciato BeppoSAX che ha dato contributi fondamentali alla comprensione del fenomeno GRB scoprendo l’esistenza della luminescenza residua in X, cosa che ha permesso l’identificazione ottica dei GRB lunghi che risultano avvenire in lontane galassie e, in alcuni casi, sono collegati all’esplosione di una supernova. BeppoSAX finisce la sua missione nel 2002, quando viene lanciato Integral raggiunto nel 2004 da Swift: entrambi che sono capaci di posizionare con precisione i GRB. Poi è la volta degli strumenti gamma di alta energia come Agile, lanciato nel 2007, e Fermi, nel 2008. Fermi ha a bordo una strumento dedicato allo studio dei GRB che ricalca un po’ le orme di Batse. Si chiama GBM, è molto sensibile a rivelare il segnale, meno bravo a posizionarlo, cosa che deve essere fatta in generale da Swift grazie ad un ripuntamento rapido sulla regione di interesse.

A 16 anni dal lancio, Swift continua a funzionare egregiamente: ha regalato agli astrofisici oltre 1.400 lampi gamma, 10% dei quali sono lampi corti. Per tutti ha rivelato la controparte X mentre quelli con una controparte ottica sono grossomodo la metà del totale.

Tuttavia, nonostante le splendide capacità di Swift che, con il suo telescopio X, posiziona la controparte dei lampi gamma in pochi minuti, il sistema IPN continua a funzionare per l’ottimo motivo che ai suoi rivelatori omnidirezionali nessun segnale intenso può sfuggire (mentre può succedere che Swift stia puntando in un’altra direzione, oppure si trovi nell’ombra della Terra nel momento di arrivo del segnale). Inoltre, la versione attuale dell’IPN (che si è rinnovato con le nuove sonde lanciate nel corso degli anni) costa poco e viene gestito da poche persone con decenni di esperienza.   Come abbiamo già detto, l’IPN è un sistema che funziona al meglio per lampi brevi e molto intensi come quello del 15 aprile 2020 costituito da un unico impulso durato poco più di un decimo di secondo che ha colpito prima il rivelatore russo a bordo della missione NASA Mars Odyssey (che orbita Marte dal 2001), poi ha viaggiato per 6,6 minuti prima di colpire il rivelatore (sempre russo) Konus a bordo della sonda Wind della NASA posizionata in L1 (tra le Terra ed il Sole) per raggiungere, 4,5 secondo dopo, i satelliti in orbita terrestre dove è stata rivelata Fermi, Integral, Swift e ASIM (Atmosphere-Space Interaction Monitor sulla Stazione spaziale). La direzione di arrivo del segnale era fuori dal campo di vista del Burst Alert Monitor di Swift ma anche le informazioni registrate da Swift sono state utili per la triangolazione.

Alla fine, sette ore dopo l’evento, la posizione IPN è caduta giusto sulla galassia dello Scultore NGC 253 a 11,4 milioni di anni luce da noi, eccezionalmente vicina nel panorama dei lampi gamma che sono eventi cosmologici a distanze che si misurano in molti miliardi di anni luce. L’evento, chiamato GRB200415A, ha una curva di luce molto particolare con una salita rapidissima verso il picco di emissione (appena 2 msec) seguita da una discesa che esaurisce l’emissione in 160 msec.

La rapidità è veramente estrema e ricorda l’evento del 5 marzo 1979 oppure quelli visti avvenire nella nostra galassia a opera di stelle di neutroni straordinariamente magnetiche, le magnetar, che emettono lampi brevissimi a spese del campo magnetico. GRB200415A sarebbe il Magnetar più lontano mai visto

Un risultato niente male per il vecchio (ma sempre rinnovato) sistema IPN che posiziona con una tecnica geometrica che sembra essere invecchiata benissimo. L’esperienza acquisita nel tempo ha velocizzato le operazioni, un successo dovuto alla dedizione del piccolo gruppo che, negli anni, ha imparato a gestire i dati in modo ottimale. E’ difficile essere competitivi con strumenti della sofisticazione tecnologica di Swift o INTEGRAL, ma qui quello che conta è il fattore umano: siamo di fronte ad un esempio di straordinaria perseveranza.

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