Impressione artistica di Grb 221009A che mostra gli stretti getti relativistici, che emergono dal buco nero centrale, che danno origine al Grb. Grazie a Jwst, gli autori hanno rivelato la supernova, confermando che Grb 221009a è il risultato del collasso di una stella massiccia. Inoltre, hanno scoperto che l’evento si è verificato in una regione di formazione stellare densa della sua galassia ospite, come rappresentato dalla nebulosa sullo sfondo. Crediti: Aaron M. Geller / Northwestern / Ciera / IT Research Computing and Data Services

Finis coronat opus dicevano i latini, ovvero «la fine corona l’opera». Non è forse vero che le cose se non hanno una fine cominciano a diventare noiose? Alcune stelle, chissà magari per paura di diventarlo, hanno un finale a dir poco esplosivo. È il caso delle supernove, originate da stelle massicce che nelle fasi finali della loro vita collassano e successivamente esplodono.

Le supernove sono conosciute, più o meno nel dettaglio, da molto tempo: già alcuni popoli antichi sapevano della loro esistenza, o almeno le avevano viste, anche se non ne avevano compreso il processo alla base. Si può dire che siano un fenomeno piuttosto “normale”.

Eppure, il 9 ottobre 2022 un team internazionale di ricercatori, compresi gli astrofisici della Northwestern University, ha osservato il lampo di raggi gamma (Grb acronimo di gamma ray burst) più luminoso mai registrato: Grb 221009A. Il lampo è stato così brillante che, quando ha “investito” la Terra, ha saturato la maggior parte dei rivelatori di raggi gamma del mondo.

Ora, un team guidato dalla Northwestern, usando il telescopio spaziale James Webb (Jwst), ha confermato che il fenomeno responsabile dell’esplosione storica – soprannominata Boat, dall’inglese brightest of all time – è il collasso e successiva esplosione di una stella massiccia.

Questa scoperta – pubblicata oggi sul Nature Astronomy – ha risolto un mistero, ma ne ha acuito un altro. Infatti, i ricercatori avevano ipotizzato che all’interno della supernova appena scoperta potessero esserci evidenze di elementi pesanti, come platino e oro, ma dopo un’estesa ricerca non sono state trovate le tracce che accompagnano questi elementi. L’origine degli elementi pesanti nell’universo continua a rimanere una delle più grandi domande aperte dell’astronomia.

«Quando abbiamo confermato che il Grb è stato generato dal collasso di una stella massiccia, questo ci ha dato l’opportunità di testare l’ipotesi su come alcuni degli elementi più pesanti nell’universo si siano formati», riferisce Peter Blanchard della Northwestern, che ha guidato lo studio. «Non abbiamo visto le tracce di questi elementi pesanti, ciò suggerisce che Grb estremamente energetici come Boat non li producano. Questo non significa che tutti i Grb non li producano, ma è un’informazione chiave mentre continuiamo a capire dove si formano questi elementi pesanti. Future osservazioni con Jwst determineranno se i cugini “normali” di Boat producono questi elementi».

La potente esplosione in oggetto si è verificata a circa 2,4 miliardi di anni luce lontano dalla Terra, nella direzione della costellazione della Sagitta, ed è durata alcune centinaia di secondi. Mentre gli astronomi si affrettavano a osservare l’origine di questo fenomeno incredibilmente luminoso, sono stati immediatamente colpiti da un senso di stupore. «Da quando siamo stati in grado di rilevare Grb, non c’è dubbio che questo Grb sia il più brillante a cui abbiamo mai assistito, di un fattore 10 o più», afferma Wen-fai Fong, professoressa associata di fisica e astronomia al Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences e membro del Ciera.

«L’evento ha prodotto alcuni dei fotoni con la più alta energia mai registrati dai satelliti progettati per il rilevamento di raggi gamma», dice Blanchard. «La Terra vede eventi simili solo una volta ogni 10mila anni. Siamo fortunati a vivere in un’epoca in cui disponiamo della tecnologia per rilevare queste esplosioni che si verificano in tutto l’universo».

Piuttosto che osservare immediatamente l’evento, Blanchard, la sua collaboratrice Ashley Villar della Harvard University e il loro team hanno osservato il lampo gamma durante le sue fasi successive, in particolare circa sei mesi dopo il primo rilevamento. «Il Grb era così luminoso che ha oscurato qualsiasi potenziale firma di supernova nelle prime settimane e mesi dopo lo scoppio», riferisce Blanchard. «In quei momenti, il cosiddetto bagliore residuo del Grb era come i fari di un’auto che ti viene incontro, impedendoti di vedere l’auto stessa. Quindi, abbiamo dovuto aspettare che svanisse in modo significativo per darci la possibilità di vedere la supernova».

Blanchard ha utilizzato lo spettrografo per il vicino infrarosso del Jwst per osservare la luce dell’oggetto alle lunghezze d’onda dell’infrarosso. È stato allora che ha visto la caratteristica firma di elementi come il calcio e l’ossigeno tipicamente presenti all’interno una supernova che però in questo caso, sorprendentemente, non era eccezionalmente luminosa. «Non è più luminosa delle supernove precedenti», dice Blanchard. «Sembra abbastanza normale rispetto alle altre supernove associate a Grb meno energetici. Ci si aspetterebbe che la stella che collassando produce un Grb molto energetico e luminoso, produca anche una supernova molto energetica e luminosa. Ma si è scoperto che non è così. Abbiamo questo Grb estremamente luminoso, ma una supernova normale».

Dopo aver confermato – per la prima volta – la presenza della supernova, Blanchard e i suoi collaboratori hanno cercato prove di elementi pesanti al suo interno. Attualmente gli astrofisici hanno un quadro incompleto di tutti i meccanismi dell’universo che possono produrre elementi più pesanti del ferro. Il meccanismo primario per la produzione di elementi pesanti — i processi di cattura neutronica rapidi — richiedono un’alta concentrazione di neutroni. Finora gli astrofisici hanno confermato solo la produzione di elementi pesanti tramite questo processo nella fusione di due stelle di neutroni, rilevata nel 2017 dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo). Ma gli scienziati dicono che ci devono essere altri modi per produrre questi materiali sfuggenti. Ci sono troppi elementi pesanti nell’universo e troppe poche fusioni di stelle di neutroni.

«C’è probabilmente un’altra sorgente», dice Blanchard. «Ci vuole molto tempo affinché le stelle di neutroni binarie si fondano. Due stelle in un sistema binario devono prima esplodere per lasciare dietro di sé stelle di neutroni. Quindi, possono volerci miliardi e miliardi di anni perché le due stelle di neutroni si avvicinino sempre di più e infine si fondano. Ma le osservazioni di stelle molto antiche indicano che parti dell’universo erano già arricchite di metalli pesanti prima che la maggior parte delle stelle di neutroni binarie avesse avuto il tempo di fondersi. E questo ci sta indicando un canale alternativo».

Gli astrofisici hanno ipotizzato anche che gli elementi pesanti potrebbero essere prodotti dal collasso di una stella massiccia in rapida rotazione – la tipologia di stella che ha generato Boat. Blanchard ha quindi studiato gli strati interni della supernova, dove dovrebbero essersi formati gli elementi pesanti, utilizzando lo spettro infrarosso ottenuto dal Jwst. «Il materiale esploso della stella è opaco nei primi tempi, quindi è possibile vedere solo gli strati esterni», spiega Blanchard. «Ma una volta che si espande e si raffredda, diventa trasparente. Quindi si possono vedere i fotoni proveniente dallo strato interno della supernova. Inoltre, diversi elementi assorbono ed emettono fotoni a diverse lunghezze d’onda, a seconda della loro struttura atomica, conferendo a ciascun elemento una firma spettrale unica. Perciò, osservare lo spettro di un oggetto può dirci quali elementi sono presenti. Dopo aver esaminato lo spettro di Boat non abbiamo visto alcuna traccia di elementi pesanti, il che suggerisce che eventi estremi come Grb 221009A non ne sono fonti primarie. Questa è un’informazione cruciale mentre continuiamo a cercare di individuare dove si formano gli elementi più pesanti».

Il lampo gamma Grb 221009A osservato dal telescopio Gemini South, in Cile, il 14 ottobre 2022

Per separare la luce della supernova da quella del bagliore residuo che l’ha preceduta, i ricercatori hanno accoppiato i dati Jwst con le osservazioni dell’Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array (Alma) in Cile. «Anche diversi mesi dopo la scoperta dell’esplosione, il bagliore residuo era abbastanza luminoso da contribuire notevolmente alla luce negli spettri Jwst», dice Tanmoy Laskar, assistente professore di fisica e astronomia alla University of Utah e coautore dello studio. «La combinazione dei dati dei due telescopi ci ha aiutato a misurare esattamente quanto fosse luminoso il bagliore residuo al momento delle nostre osservazioni con Jwst e ci ha permesso di estrarre accuratamente lo spettro della supernova».

Anche se gli astrofisici devono ancora scoprire come una supernova “normale” e un Grb da record siano stati prodotti dal collasso della stessa stella, Laskar sostiene che potrebbe essere correlato alla forma e struttura dei getti relativistici. Quando ruotano rapidamente, le stelle massicce collassano in buchi neri, e producono getti di materiale che lanciano a velocità vicine alla velocità della luce. Se questi getti sono stretti, producono un raggio di luce più concentrato — e più luminoso. «È come focalizzare il raggio di una torcia elettrica in una colonna stretta, invece di un raggio ampio che attraversa un intero muro», dice Laskar. «Infatti, questo era uno dei getti più stretti visti finora per un lampo di raggi gamma, il che ci dà un indizio sul motivo per cui il bagliore residuo appariva così luminoso come era. Potrebbero esserci altri fattori responsabili; questa è una questione che i ricercatori studieranno negli anni a venire».

Ulteriori indizi potrebbero arrivare anche da futuri studi della galassia in cui Boat si è verificato. «Oltre allo spettro di Boat, abbiamo ottenuto anche uno spettro della sua galassia “ospite”», riporta Blanchard. «Lo spettro mostra segni di intensa formazione stellare, suggerendo che l’ambiente in cui è nata la stella originale potrebbe essere diverso da quello degli eventi precedenti». Yijia Li della Penn State ha modellato lo spettro della galassia, scoprendo che ha la metallicità (una misura dell’abbondanza di elementi più pesanti di idrogeno ed elio) più bassa di tutte le precedenti galassie ospiti di Grb. «Questo è un altro aspetto unico di Boat che potrebbe aiutare a spiegare le sue proprietà», conclude Li.

Per saperne di più:

• Leggi su Nature Astronomy l’articolo “JWST detection of a supernova associated with GRB 221009A without an r-process signature” di Peter K. Blanchard, V. Ashley Villar, Ryan Chornock, Tanmoy Laskar, Yijia Li, Joel Leja, Justin Pierel, Edo Berger, Raffaella Margutti, Kate D. Alexander, Jennifer Barnes, Yvette Cendes, Tarraneh Eftekhari, Daniel Kasen, Natalie LeBaron, Brian D. Metzger, James Muzerolle Page, Armin Rest, Huei Sears, Daniel M. Siegel e S. Karthik Yadavalli.