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mercoledì 21 maggio 2008
Alessandra Corsi: caccia ai segreti dei lampi di raggi gamma

Alessandra CorsiAlessandra Corsi, 27 anni, fisica, laureata nel 2003 in Fisica con specializzazione in Astrofisica, dottorato nel 2007 in Astronomia e oggi stimata ricercatrice impegnata fra l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (IASF-INAF) di Roma e l’Università di Roma “La Sapienza”, ha vinto con un progetto sull’emissione elettromagnetica e gravitazionale dei Gamma-Ray Bursts, intensi lampi di raggi gamma di origine cosmologica.

La sua attività di ricerca, mirata a chiarire l’ancora misteriosa natura di queste sorgenti, propone quale punto di forza l’analisi combinata del segnale elettromagnetico osservato e di quello gravitazionale che potrebbe essere rivelato dagli interferometri di seconda generazione.

 

PROGETTO: la fisica dei GRB: segnale elettromagnetico ed emissione in onde gravitazionali
Istituto ospitante: Università La Sapienza e IASF di Roma
I Gamma-Ray Burst (GRB), sono intensi lampi di radiazione gamma, che possono durare da pochi millisecondi a diverse decine di secondi. Furono scoperti nel 1973, dai satelliti statunitensi “Vela”, originariamente dedicati – in piena guerra fredda – a rivelare raggi gamma prodotti da eventuali esperimenti nucleari sovietici.

I GRB vengono localizzati dallo spazio, poiché l’atmosfera terrestre blocca i raggi gamma prodotti. Nel 1997, lo studio di questi oggetti celesti fu rivoluzionato dalla scoperta, da parte del satellite italo-olandese BeppoSAX”, dell’esistenza di un “afterglow”, emissione transiente residua associata all’esplosione iniziale e visibile in più bande spettrali (radio, IR, ottico, UV, raggi X). Come dimostrato dal “Burst & Transient Source Experiment”, a bordo del “Compton Gamma Ray Observatory”, satellite lanciato dalla NASA nel 1991, i GRB avvengono con una frequenza di circa uno al giorno e presentano una distribuzione isotropa in cielo, ovvero senza preferenze per direzioni particolari. La loro origine è cosmologica: ad oggi, il GRB più distante è stato localizzato dal satellite della NASA “Swift” (lanciato nel novembre 2004 e tuttora attivo), a circa 12,8 miliardi di anni luce da noi (appena poco più di mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang). In base alla durata (ed alla distribuzione in energia dei fotoni emessi), i lampi gamma vengono suddivisi in due categorie: i cosiddetti GRB corti (con durata inferiore a due secondi), ed i cosiddetti GRB lunghi (con durata maggiore di due secondi).

Secondo il modello ad oggi più accreditato, detto modello a “fireball”, un GRB sarebbe prodotto nella decelerazione di un getto di materia, lanciato nel mezzo interstellare a velocità prossima a quella della luce (detto appunto fireball), ed originatosi a seguito del rilascio di una gran quantità di energia (dell’ordine di una massa solare) in una regione compatta di spazio (dimensioni dell’ordine di 106 cm). La radiazione elettromagnetica da noi osservata verrebbe prodotta a distanze superiori a 1013 cm dal sito dell’esplosione, da elettroni accelerati nel fireball tramite processi di shock. Evidentemente, un metodo fondamentale per testare il modello a fireball è rappresentato dal confronto dei dati osservativi con le previsioni della teoria. La mia attività di ricerca è incentrata proprio su tale confronto, ed è finalizzata a ricavare informazioni utili a comprendere la fisica in atto all’interno del fireball stesso, come ad esempio l’importanza di processi radiativi quali il sincrotrone ed il Compton inverso. In aggiunta, il confronto fra teoria ed osservazioni consente di mettere in luce alcune proprietà del mezzo interstellare nel quale il fireball si espande (come ad esempio la sua densità), che rappresentano indizi indiretti sulla natura del progenitore, cioè dell’oggetto celeste dal quale il GRB ha origine.

In effetti, il modello a fireball prescinde dallo specificare l’esatta natura del progenitore. Si ritiene, tuttavia, che la morte catastrofica di alcuni sistemi stellari possa condurre alla formazione di un buco nero circondato da un disco, e che sia l’accrescimento della materia del disco sul buco nero a fornire l’energia necessaria al fireball. In particolare, i sistemi stellari candidati a progenitori dei GRB lunghi sono l’esplosione, in un particolare tipo di supernova, di una stella rotante e molto massiccia. I GRB corti, invece, sarebbero associati alla coalescenza di un sistema binario costituito da due stelle di neutroni (o da una stella di neutroni ed un buco nero).

Nello scenario che associa un GRB lungo al collasso di una stella massiccia rotante, ci si aspetta che il sito dell’esplosione sia circondato da un mezzo interstellare più denso rispetto a quanto ci si aspetterebbe attorno ad un GRB corto, prodotto nella coalescenza di un sistema binario. In questo senso, dunque, le informazioni ricavabili sulla densità fanno del confronto tra osservazioni e modello, uno strumento utile a testare indirettamente gli scenari di progenitore proposti.

Fino ad oggi, la nostra comprensione del fenomeno dei GRB ha fatto notevoli passi avanti proprio grazie allo studio ed alla caratterizzazione del segnale elettromagnetico ad essi associato. Tuttavia, occorre tenere presente he i fotoni osservati, come detto sopra, provengono da distanze superiori a 1013 cm dal progenitore, e dunque trasportano informazioni indirette sulla natura del progenitore stesso. Guardando al futuro, una strada che potrebbe permetterci di raccogliere informazioni dirette sul progenitore (cioè provenienti dalle ue immediate vicinanze), è rappresentata dalla rivelazione di emissione in onde gravitazionali.

L’esistenza delle onde gravitazionali è stata prevista dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Si tratta di oscillazioni nella geometria dello spazio-tempo che si propagano nel vuoto con la velocità della luce, trasmettendo l’informazione di come il campo gravitazionale varia nel tempo. Le onde gravitazionali possono essere considerate analoghe alle onde elettromagnetiche emesse da particelle cariche in moto accelerato. Sebbene la loro esistenza sia stata dimostrata in modo indiretto da R. A. Hulse & J. H. Taylor (premiati con il Nobel nel 1993), fino ad oggi non sono mai state osservate direttamente. La difficoltà sta nel fatto che si tratta di perturbazioni estremamente deboli che, nella migliore delle ipotesi, possiamo sperare di osservare solo in occasione di fenomeni catastrofici coinvolgenti oggetti di massa stellare, come ad esempio una esplosione di supernova.

Gli scenari di progenitore attualmente favoriti per i GRB, sono promettenti candidati come sorgenti di onde gravitazionali, potenzialmente rivelabili da interferometri come quello italo-francese Virgo, o lo statunitense LIGO, nella loro futura configurazione avanzata. In particolare, Virgo è un interferometro di Michelson, con bracci lunghi 3 km, situato allo “European Gravitational Observatory” (EGO), nel comune di Cascina (Pisa). Il suo scopo è quello di rivelare le onde gravitazionali in una banda di frequenze tra i 10 Hz ed i 6000 Hz. Nella configurazione attuale, Virgo potrebbe rivelare radiazione gravitazionale causata ad esempio dalla coalescenza di sistemi binari o da una supernova nella Via Lattea e nelle galassie esterne, fino all’ammasso di galassie Virgo, che dà il nome a questo progetto. Si prevede tuttavia che, in una futura configurazione avanzata, interferometri come Virgo e LIGO raggiungeranno sensibilità tali da poter rivelare le onde gravitazionali prodotte dai GRB più vicini, chiarendone così in modo diretto la natura.

Con in mente tale prospettiva, la sfida scientifica che ci attende nei prossimi anni è quella di trovare precise metodologie di correlazione tra le informazioni che provengono dalla banda elettromagnetica ed i primi segnali riscontrabili nelle antenne interferometriche come Virgo e LIGO. In tale ambito, il progetto di ricerca che sto seguendo accompagna lo studio del segnale elettromagnetico, con l’analisi dei dati registrati da Virgo in coincidenza con i lampi gamma. Sebbene il settore astrofisico e quello delle onde gravitazionali siano, in linea di principio, estremamente connessi fra loro, la complessità dei processi fisici in atto e la diversità delle tecniche di analisi dati, rendono di fatto non semplice, ma senza dubbio affascinante, il percorso da seguire per riuscire in questo intento.


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