Esplosioni ai confini del cosmo

Un gamma-ray burst (GRB) è il lampo di raggi gamma più potente che conosciamo: in pochi secondi può liberare più energia di quanta il Sole ne produrrà in tutta la sua vita, stimata in circa dieci miliardi di anni. La maggior parte di questi eventi arriva da galassie lontanissime, a miliardi di anni luce da noi, il che significa che li osserviamo come apparivano quando l’universo era molto più giovane. Proprio per questa loro luminosità estrema, i GRB sono visibili a distanze cosmologiche e rappresentano uno strumento prezioso per sondare le epoche remote del cosmo. Per un quadro generale del campo conviene partire da una panoramica sull’astronomia dei raggi gamma e sull’astrofisica delle alte energie, discipline che studiano i fenomeni più violenti dell’universo.

Due famiglie distinte

I GRB non sono tutti uguali. La classificazione più consolidata si basa sulla durata dell’emissione gamma:

  • I GRB lunghi (oltre circa 2 secondi, fino a centinaia di secondi) sono associati al collasso del nucleo di stelle molto massicce, che termina con la formazione di un buco nero e l’espulsione di getti relativistici. Molti GRB lunghi sono accompagnati da una supernova di tipo Ic.
  • I GRB corti (sotto i 2 secondi) derivano dalla fusione di oggetti compatti, tipicamente due stelle di neutroni o una stella di neutroni e un buco nero. Sono gli stessi eventi che generano onde gravitazionali rilevabili: il caso GW170817/GRB 170817A nel 2017 ha confermato in modo diretto questo legame, inaugurando l’astronomia multimessaggera.

In entrambi i casi l’emissione gamma è seguita da un afterglow — un bagliore residuo che si attenua progressivamente nei raggi X, ottici e radio — fondamentale per misurare la distanza della sorgente. Lo studio combinato del lampo iniziale (prompt emission) e dell’afterglow ha permesso di costruire il modello del fireball: un getto di materia ultrarelativistico, lanciato a velocità prossime a quella della luce, in cui le collisioni interne ed esterne fra strati di plasma convertono l’energia cinetica in radiazione. La forte collimazione del getto spiega perché i GRB ci appaiano così luminosi pur essendo lontanissimi: vediamo solo gli eventi il cui fascio è puntato verso di noi.

Una sorgente di emissione estrema

L’energia liberata da un GRB, se fosse isotropa, raggiungerebbe valori dell’ordine di 10⁴⁷ joule, ma la collimazione del getto riduce l’energia reale a una frazione di questo. Anche così resta uno degli eventi più violenti dell’universo, capace di sintetizzare elementi pesanti e, nel caso dei GRB corti, di disperdere nello spazio materiale arricchito prodotto dalla fusione di stelle di neutroni. I GRB sono spesso messi in relazione con altre sorgenti gamma transienti studiate da AGILE, come i blazar e i nuclei galattici attivi, in cui pure compaiono getti relativistici alimentati da buchi neri.

Il ruolo di AGILE

La sfida principale nello studio dei GRB è la rapidità: l’emissione gamma può svanire in pochi secondi o decine di secondi. Gli strumenti di AGILE, in particolare il rivelatore GRID e il calorimetro MCAL, sono progettati per rilevare e localizzare rapidamente questi eventi transitori, contribuendo agli allerta che permettono ad altri telescopi terrestri e spaziali di puntare la sorgente prima che si spenga. AGILE ha contribuito alla rete internazionale di osservazione dei GRB, e il suo lavoro è spesso messo in relazione con quello del telescopio Fermi, come illustrato nel confronto tra AGILE e Fermi. Il calorimetro è particolarmente adatto a registrare l’emissione più energetica e i transienti molto brevi.

Perché studiarli

I GRB sono autentici fari cosmici: illuminano l’universo primordiale e permettono di studiare materia ed energia in condizioni irriproducibili in qualsiasi laboratorio terrestre, con campi gravitazionali e densità estremi. Ogni rivelazione aggiunge un tassello alla storia dell’evoluzione stellare e galattica. Per approfondire il fenomeno è utile la voce di Wikipedia sul lampo gamma, mentre chi desidera seguire questi temi in mobilità può consultare la guida all’app AGILEScience, pensata per rendere accessibile a tutti l’astrofisica delle alte energie.