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L'UNIVERSO INVISIBILE

Astronomia gamma

L’osservatorio Swift

alt null Swift,è una missione MIDEX della NASA (Principal Investigator: Dr. Neil Gehrels) realizzata in collaborazione con Italia e UK, che si prefigge di determinare l’origine dei gamma-ray burst (GRB) ed usarli per studiare l’universo lontano. Swift è un osservatorio multibanda che sfrutta le caratteristiche degli afterglow dei GRB, facendo seguito alla recente esperienza di BeppoSAX, per determinare le caratteristiche di circa 300 GRB ed afterglows in 3 anni.

 

La strumentazione di SWIFT

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Il satellite ha a bordo un rivelatore a maschera codificata a grande campo, sensibile nella banda 10-150 keV, che serve per la rivelazione dei GRB con una precisione astrometrica di 2-4 arcmin a seconda dell’intensità e posizione del burst, nonche’ due telescopi, uno per i raggi X (XRT) ed uno per ottico-UV (UVOT). Questi due telescopi sono in grado di dare la posizione delle sorgenti con una precisione di 2.5 - 0.3 arcsec.

La filosofia di utilizzo di SWIFT

I lampi gamma, individuati col BAT, vengono poi osservati entro 30-70 secondi con la strumentazione X e ottica. Il ripuntamento del satellite è automatico e guidato direttamente dal computer di bordo. Le posizioni ed una cartina di identificazione dei GRB e dei loro afterglow vengono comunicate, tramite network, entro pochi secondi/minuti alla comunita’ scientifica per permettere l’immediato puntamento dei telescopi da terra. Questa velocità di puntamento consente di conoscere la posizione del lampo con la precisione di 0,3 secondi d’arco.

 

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Il contributo Italiano

L’Italia ha fornito gli specchi del telescopio X, che è in grado di misurare la posizione della controparte X del gamma-ray burst con un’alta precisione ( 2 arcsec) ed in grado di seguire l’evoluzione dell’afterglow nella banda X per più di 2 settimane. L’Agenzia Spaziale Italiana fornisce inoltre al progetto Swift l’utilizzo della stazione di Malindi, un’altra componente decisiva per la missione.

Il consorzio italiano è anche responsabile dello sviluppo della pipeline di analisi dei dati del telescopio X. In Italia tutti i dati Swift sono sotto la responsabilità del Centro Dati chiamato Italian Swift Archive Center (ISAC) e che è composto da due entità: l’ASI Science Data Center (ASDC) a Roma e l’Osservatorio di Brera a Milano/Merate. I due centri ISAC saranno collegati attraverso una linea dati dedicata, permettendo un accesso veloce e senza restrizioni ai dati Swift che saranno interamente pubblici.

Il lancio

Il 20 novembre 2004 Swift è stato lanciato con successo da Cape Canaveral. SWIFT apre anche l’era dei dati self service poiché tutti coloro che sono potenzialmente interessati possono andare a recuperare dati al centro di analisi dati dell’ASI, man mano che vengono archiviati. Per la prima volta nella storia delle missioni spaziali tutta la comunità astronomica ha a disposizione da subito tutti i dati di una missione. La competizione è feroce ma spinge tutti a dare il meglio per aggiungere sempre più tasselli al puzzle fino a farlo diventare un’immagine chiara.

 

 

La prima luce degli strumenti

la costellazione del cigno ripresa dal telescopio BATIl telescopio BAT è stato messo in funzione e ha ripreso la costellazione del Cigno individuando le sorgenti Cygnus x-1 e Cygnus x-3. L’immagine ottenuta, che è servita per tarare gli strumenti, ha dimostrato l’ottimo funzionamento di BAT.

Un mese dopo l’attivazine BAT è stato messo in funzione anche il telescopio XRT . Per testare il funzionamento del telescopio è stata ripresa un’immagine del resto di supernova Cassiopea A che ne mette in evidenza la bontà della qualità delle ottiche . I diversi colori dell’immagine denotano diverse energie dei fotoni incidenti.

la galassia M101 ripresa da XRT L’ultimo strumento a bordo di Swift ad essere stato messo in funzione è il telescopio ottico e ultravioletto UVOT. Il satellite è stato puntato sulla galassia M101 della quale ha ripreso un bella immagine ottica e ultravioletta.

 

I primi lampi gamma osservati con SWIFT

Il telescopio Bat ha osservato il suo primo lampi gamma l’11 dicembre 2004. L’evoluzione del lampo è stata seguita per tutta la sua durata permettendo di ottenere la curva di luce.

Mentre i primi GRB sono stati rivelati dallo strumento BAT nel dicembre 2004, la procedura di puntamento automatico è stata portata a termine con successo per la prima volta il 19 gennaio 2005 e la prima rivelazione di emissione ottica da GRB si è avuta il 15 Marzo.

 

Il botto del secolo

 

4 settembre 2005: SWIFT scopre il lampo gamma più lontano

il lampo gamma più lontano ripreso dal VLT nell’infrarossoIl 4 settembre 2005 il satellite SWIFT ha rilevato un lampo gamma che poi, con accurate misure, si è rivelato il lampo gamma più lontano mai osservato. IL satellite SWIFT era stato progettato con lo scopo di rivelare anche lampi gamma lontani che risultano diluiti dalla dilatazione relativistica dei tempi. Infatti, GRB050904 era così allungato e indebolito che soltanto il sistema di trigger progettato ai laboratori di Los Alamos ha permesso di rivelarlo. La curva di luce ha subito mostrato che si trattava di un lampo anomalo; mentre la maggior parte dei lampi gamma non presentano una durata superiore ai 10 secondi mentre il GRB050904 aveva una durata superiore ai 200 secondi. Sebbene l’elevata distanza abbia reso difficile la rilevazione del lampo gamma, il telescopio a raggi X a bordo di SWIFT XRT ha rilevato un intenso lampo X facendo supporre al team di scienziati che il lampo vero e proprio si sia spostato in banda X a causa del red-shift cosmologico. Una prima conclusione consisteva quindi che il lampo GRB050904 si presentava anomalo a causa della sua eccezionale distanza. L’espansione dell’universo ha infatti allungato la curva di luce del lampo spostandola anche in bande di energia più basse. Di questo fenomeno hanno dovuto tenere conto anche i cercatori del residuo ottico del lampo. Mentre le prime osservazioni in ottico non hanno evidenziato alcun residuo; esposizioni nell’infrarosso, effettuate da Daniel Reichart, e dal suo studente Josh Haislip dell’ università del North Carolina utilizzando il telescopio NSF/NOAO da 4,1 metri, hanno rivelato il residuo dell’esplosione. Utilizzando un gruppo di filtri, Reichart è riuscito a determinare grossolanamente il red-shift della sorgente che è risultato maggiore di 6 dimostrando che si trattava di una delle sorgenti più lontane e più antiche mai osservate.

Contemporaneamente un gruppo di ricercatori italiani osservava il residuo dell’esplosione in diverse bande infrarosse consentendo di arrivare ad una stima grossolana del red-shift di circa 6,3. Secondo Guido Chincarini dell’osservatorio Astronomico di Brera questo è il lampo più intrinsecamente luminoso mai osservato, in pochi minuti ha emesso una quantità di energia pari a 300 volte quella emessa dal Sole in tutto l’arco della sua vita. Gli astronomi italiani costituiscono il gruppo MISTICI, una collaborazione di astronomi provenienti da diversi osservatori e istituti che hanno accesso al telescopio Antu di 8,2 metri del VLT con gli strumenti infrarossi ISAAC e FORS2. L’osservazione del residuo del lampo è avvenuta 26 ore dopo la sua rivelazione; secondo Angelo Antonelli, dell’osservatorio di Roma, le osservazioni confermano i risultati ottenuti con le osservazioni effettuate col Subaru telescope. Infatti il Dr. Nobuyachi Kawai del Tokyo Institute of Tecnology riusciva a determinare il red-shift utilizzando uno spettroscopio applicato al telescopio Subaru da 8,1 metri. Il red-shift misurato era 6,29 al quale per la legge di Hubble corrisponde una distanza di 12,8 miliardi di anni luce. Il lampo gamma osservato si è dunque verificato appena poco più di mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang. Secondo il Dr. Reichart questo è un territorio ancora inesplorato, una regione dell’universo dove si sono create le primissime stelle, dette stelle di popolazione III, costituite essenzialmente da idrogeno ed elio con la totale assenza di elementi pesanti. La presenza di un lampo gamma in questa regione dello spazio e del tempo ( non dimentichiamo che osservare più lontano significa anche osservare più indietro nel passato) pone nuovi interrogativi, ad esempio non è ancora ben chiaro se sono nate prima le quasar, cioè gli agglomerati contenenti un buco nero supermassiccio e attivo nel loro centro e che sarebbero i progenitori delle odierne galassie, oppore se si è formata prima una classe di stelle massicce. Il quasar più lontano che sia conosciuto fino ad ora si trova ad un red-shift di 6,4 mentre il GRB050904 si trova ad un red-shift 6,29, praticamente sono quasi contemporanei! Il GRB050904 costituisce anche un importante strumento per studiare l’espansione cosmica e la sua accelerazione, una difficile sfida che ci permetterà di conoscere il destino dell’universo di cui GRB050904 costituisce solo il primo passo.

 

 

SWIFT scopre un lampo gamma anomalo

Il GRB060218Uno straordinario lampo gamma chiamato GRB060218 è stato rivelato con il Burst Alert Telescope a bordo dell’osservatorio SWIFT il 18 febbraio 2006. Il lampo è rimasto visibile per oltre mezz’ora, un tempo significativamente più lungo di quelli osservati in precedenza che presentavano invece durate tipiche da pochi millisecondi a qualche decina di secondi.

Un’altra caratteristica di questo lampo è stata la sua luminosità in banda gamma che è risultata essere inaspettatamente bassa. Utilizzando l’osservatorio SWIFT si è potuto osservare l’esplosione dall’inizio con tutti i suoi tre telescopi, il Burst Alert Telescope che ha scoperto l’evento, il telescopio X e il telescopio ottico e ultravioletto che ha consentito, data la sua notevole risoluzione, di associare il lampo con un’esplosione di una supernova chiamata 2006aj e posta in una galassia a 440 milioni di anni luce.

Più di 20 osservatori al suolo (oltre a SWIFT) hanno osservato nell’ottico il lampo misurando un incremento di luminosità per alcuni giorni, consentendo di migliorare le nostre idee a riguardo dell’evoluzione delle supernovae negli istanti iniziali e mettendo a disposizione un pacchetto di osservazioni a diverse lunghezze d’onda senza precedenti. Attualmente il GRB060218/SN2006aj è la migliore associazione lampo gamma - supernova che sia mai stata studiata.

14 giugno 2006: SWIFT scopre un lampo strano

Dopo alcuni mesi di attenta analisi gli scienziati hanno annunciato di aver scoperto un lampo gamma anomalo con caratteristiche che lo pongono a cavallo tra i lampi lunghi e quelli corti. I lampi gamma si dividono in due categorie: i lampi lunghi, che hanno una durata superiore a 2 secondi e sono causati dall’esplosione di stelle massicce che producono una supernova e lasciano un buco nero, i lampi brevi, con durate inferiori al secondo prodotti dalla coalescenza di stelle di neutroni (senza la presenza di supernova).

Ancora oggi non è assolutamente chiaro se l’oggetto osservato sia stato prodotto da una stella esplosa o dalla coalescenza di oggetti compatti.

GRB060614b è stato un lampo lungo straordinariamente brillante in gamma, X. Lo studio della controparte ottica ha permesso di misurare il redshift ad appena 0,125. Poiché si tratta di un lampo molto vicino gli scienziati erano sicuri di veder comparire l’emissione ottica della supernova. Da allora circa una dozzina di telescopi, tra cui il telescopio spaziale Hubble e alcuni dei più grandi telescopi al suolo, non hanno perso di vista questa regione del cielo ma non hanno trovato alcuna supernova. I dati raccolti, una volta confrontati con quelli degli altri lampi gamma, permettono di escludere l’esplosione di un stella, ma allo stesso tempo non sono compatibili con una coalescenza di oggetti compatti.

Il lampo GRB 060614 si è originato in una galassia posta ad 1,6 miliardi di anni luce nella costellazione australe dell’Indiano. La sua durata è stata di 102 secondi, valore tipico da lampo lungo, ma la sua curva di luce è simile a quella dei lampi brevi. La mancanza di una supernova è un dato molto importante. Alcuni astrofisici teorici stanno cercando dei metodi per adattare i modelli dei due tipi di lampi conosciuti alle osservazioni di GRB060614, altri invece ipotizzano un nuovo fenomeno che sia in grado di provocare un lampo del genere. Per il momento le idee restano ancora confuse e come dice Massimo della Valle, dell’osservatorio Astrofisico di Arretri, non ci resta che attendere il prossimo lampo ibrido per chiarirle.

6 ottobre 2006: SWIFT completa il primo catalogo degli AGN

Gli scienziati della NASA utilizzando l’osservatorio orbitale SWIFT hanno completato un censimento delle galassie con un buco nero centrale attivo. La survey di tutto il cielo contiene più di 200 nuclei galattici attivi costituiti da buchi neri supermassicci e fornisce il censimento più completo dell’attività dei buchi neri nell’universo “vicino”.

Il gruppo di ricercatori che ha condotto questo censimento ha scoperto nuovi buchi neri che prima erano celati all’interno di un involucro di polvere. Il satellite SWIFT, che è stato concepito per lo studio del lampi gamma , dispone di un telescopio ottico, un telescopio X e del Burst Alert Telescope sensibile alla banda di energia a cavallo tra i raggi X di energia più elevata e i raggi gamma di energia più bassa. Poiché la radiazione rivelata da BAT non è sensibile all’assorbimento è stato possibile penetrare attraverso gli involucri polverosi dietro a quali si cela l’attività di un buco nero supermassiccio.

SWIFT è stato utilizzato per svolgere questa attività nell’intervallo di tempo tra la rilevazione di un lampo gamma ed il successivo: ci sono voluti più di 9 mesi per completare la copertura di tutta la volta celeste con buona sensibilità. Questo censimento è estremamente importante, infatti ogni galassia sembra possedere un buco nero supermassiccio ma soltanto pochi di essi sono caratterizzati da un’intensa attività il buco nero presente al centro della nostra galassia, per esempio, è un chiaro esempio di buco nero in letargo.

 

22 dicembre 2006: SWIFT rivela il duecentesimo lampo gamma

È il 22 dicembre 2006, ore 4:33 di Greenwich quando il Burst Alert Telescope a bordo di SWIFT rivela un’esplosione nei raggi gamma. Si tratta di GRB061222b perché è il secondo della giornata. La curva di luce in banda gamma presenta un unico picco e l’emissione dura 50 s. Dopo 145 s anche il telescopio a raggi X, XRT, ha rilevato l’emissione del lampo scoperto con il BAT. La prima rivelazione di emissione ottica è avvenuta alle 5:21 dello stesso giorno presso l’osservatorio australe europeo di La Silla utilizzando il telescopio TAROT. Osservazioni spettroscopiche con MAGELLAN stimano il redshift a 3,36.

Questa è la breve descrizione di un normale lampo lungo, un lampo come molti altri osservati da SWIFT. In realtà per il team di scienziati che lavora con SWIFT GRB060614b assume un’importanza particolare perché è il duecentesimo lampo osservato dal satellite in due anni di attività. Questo numero riassume il successo di SWIFT.

 

16 gennaio 2007: Premiato il team di SWIFT

La High Energy Astrophysics Division dell’American Astronomica Society ha assegnato il premio Bruno Rossi al team di SWIFT. Il premio è stato consegnato a Neil Gehrels, come rappresentante di tutti gli scienziati che hanno collaborato alla realizzazione del progetto SWIFT.

Le motivazioni di tale premio tengono conto sia dei grandi sforzi tecnologici sia del grandissimo progresso per la comprensione dei lampi gamma lunghi e brevi. La High Energy Astrophysics Division ha inoltre evidenziato come il progetto SWIFT abbia consentito di studiare in dettaglio i lampi X, fenomeni che prima del lancio di SWIFT erano stati osservati raramente.

 

1 febbraio 2007: SWIFT studia tutto il cielo

È stato battezzato "target of opportunity" il nuovo sistema via web per proporre osservazioni del cielo con SWIFT. Infatti per circa 1/3 del tempo a disposizione del satellite non ci sono lampi o residui di lampi gamma da tenere sott’occhio.

Questi tempi morti possono essere utilizzati per studiare un gran numero di sorgenti X e ottiche. Per utilizzare il satellite nella maniera più proficua possibile, è stato idealizzato e organizzato un sistema via web (concepito solo per i professionisti) grazie al quale un ricercatore può sottoporre ad un comitato la sua proposta per l’osservazione di una particolare sorgente con SWIFT.

L’osservazione verrà effettuata nel tempo più breve possibile, ovviamente solo nel caso il satellite non sia impegnato in altre osservazioni con i lampi gamma ai quali viene sempre data la priorità.

 

8 marzo 2007: Scoperta una nuova sorgente per i lampi gamma

Il primo anno di SWIFT in orbita ci ha fornito un quadro piuttosto chiaro a riguardo del fenomeno dei lampi gamma. I lampi gamma lunghi sono potenti esplosioni che avvengono agli estremi confini dell’universo e sono probabilmente dovuti a stelle di massa elevata che terminano la loro esistenza con un’esplosione di supernova particolarmente luminosa, detta ipernova, che dovrebbe lasciare come residuo un buco nero di taglia stellare.

Quando si scoprì che i lampi gamma erano ospiti di galassie molto distanti gli astrofisici si resero conto che le energie in gioco erano enormi. Un lampo gamma, in caso di emissione isotropa, emetterebbe in pochi secondi l’energia emessa dal Sole nell’arco di tutta la sua vita. Di fronte a questo dilemma gli astrofisici teorici svilupparono modelli alternativi in cui le emissioni gamma era collimate in due fasci opposti, modelli che furono poi supportati anche da alcune osservazioni effettuate con HETE-2 e il telescopio spaziale Hubble.

Una delle principali richieste di questi modelli è l’osservazione di un residuo in banda X dopo il lampo gamma, questa emissione residua decresce di luminosità tanto più velocemente tanto più il fascio è collimato. Le osservazioni condotte nel primo anno di SWIFT ci hanno permesso di concludere che l’emissione gamma è confinata in un fascio non più ampio di 5° corrispondente ad un decadimento rapido dell’emissione X.

Recentemente una nuova osservazione condotta con SWIFT ha posto parecchi interrogativi, in particolare sembra confermare l’esistenza di una nuova classe di oggetti progenitori dei lampi gamma. Il GRB060729 osservato nel luglio 2006 si è presentato come un normale lampo, con emissione X successiva all’emissione gamma. SWIFT ha tenuto sotto osservazione il lampo per 125 giorni con lo scopo di osservare la caduta dell’emissione X. Il fatto che si sia registrata un’emissione costante ha portato a concludere che il fascio di raggi gamma dovesse aprirsi per oltre 28° !

Una possibile soluzione a questo dilemma è quella di ritenere che il fascio gamma sia ancora collimato entro i 5° ma che l’emissione X residua venga alimentata da un intenso campo magnetico che trae energia dalla rotazione della stella centrale.

Questa è un’ipotesi affascinante perché renderebbe possibile la formazione di lampi gamma anche nell’esplosione di stelle meno massicce che invece di collassate in un buco nero si trasformerebbero in stelle di neutroni con campo magnetico molto intenso: le magnetar.

 

19 marzo 2008: record di lampi per SWIFT

Da quando è stato messo in orbita, nel novembre 2004, SWIFT scopre e studia i lampi gamma cosmici, intensissime e brevissime emissioni di raggi gamma che provengono da lontane galassie. SWIFT, che è una missione NASA con un importante e qualificato contributo italiano, rivela, in media, 100 lampi all’anno, cioè circa due per settimana. Come dimostrato dall’istogramma del numero giornaliero dei lampi gamma (figura 1), la distribuzione dei tempi di arrivo di questi lampi è un bellissimo esempio dei capricci della statistica dei piccoli numeri. Succede che per settimane non ci siamo lampi, oppure che se ne rivelino due in un giorno. E’ anche successo di vedere 3 lampi nello stesso giorno ma mai se ne erano visti 4 in poco più di 12 ore. E’ successo il 19 marzo e, poiché i lampi gamma vengono identificati con la data nella quale sono stati registrati, li hanno chiamati GRB (per gamma ray burst) 080319 A,B,C,D.

Andiamo con ordine, il primo lampo viene registrato alle 5:45 (tempo universale, cioè ora di Greenwich) dalla posizione approssimata 13h 43m, +44°. Swift non lo può ripuntare immediatamente perchè il lembo della terra è troppo vicino. Bisogna aspettare qualche minuto in modo che il satellite si sposti nell’orbita e si possa effettuare il ripuntamento che, però viene interrotto quasi subito perché alle 6:12 viene rivelato il secondo GRB (alla posizione 14h 31m, +36°) che, ripuntato subito, dimostra di avere una mostruosa emissione ottica( figura 2). Adesso lo chiamano il lampo visibile a occhio nudo perché per qualche decina di minuti è stato potenzialmente visibile ad occhio nudo, arrivando alla quinta magnitudine.

Intanto l’analisi dei dati del breve ripuntamento del primo GRB dimostra che l’oggetto ha una controparte ottica. Gli astronomi ottici si gettano sui due oggetti: in Cile e negli USA è notte fonda e si può cercare di misurare il redshift, con un occhio di riguardo per il secondo, che ha battuto tutti i record di flusso ottico. GRB0801319B, intanto, mette in crisi il sistema automatico di distribuzione delle circolari con le notizie fresche sulle osservazioni. Sono moltissimi i telescopi robotici e non che hanno visto il flash ottico del lampo gamma e tutti vogliono rendere pubblici i loro risultati. Il sistema GCN si trova a gestire contemporaneamente 19 circolari e, non sapendo a quale dare la priorità, va in tilt, e il flusso di informazioni si arresta. Intanto diversi osservatori hanno fatto lo spettro della brillantissima controparte ottica. Il primo a fornire il valore del redshift è l’osservatorio dell’ESO a Cerro Paranal in Cile (che vede la sorgente piuttosto bassa sull’orizzonte), poi arrivano gli altri e concordano su un redshift di 0.9. Non è certo un record per i lampi gamma, che possono arrivare a redshift anche di 6, ma una distanza di 7 miliardi di anni luce è un valore pur sempre rispettabile per questo campione di emissione ottica, che aveva brillato 10 milioni di volte più di una supernova alla stessa distanza. Inoltre ad una distanza pari circa la metà dell’età dell’universo, GRB080319B sarebbe stato sicuramente la sorgente più distante visibile ad occhio nudo. Peccato che nessuno si sia fatto avanti per rivendicare l’osservazione del secolo. Il lampo ha avuto origine, molto probabilmente, da una stella molto più massiccia del nostro sole esplosa molto prima della nascita del nostro sistema solare.

Mentre gli astronomi lavorano freneticamente, Swift, alle 12:25 rivela un altro lampo gamma, questa volta viene da 17h, 15m, +55°. Anche GRB080319C dimostra di avere una normale controparte X ed ottica, ma questa volta il lampo colpisce di striscio anche Agile, lo strumento Italiano dedicato allo studio dei raggi gamma celesti, e viene rivelato dal calorimetro, che misura la sua emissione fino ad 1 MeV. Si tratta di una informazione molto importante per coloro che studiano la fisica dell’emissione dei lampi gamma perché permette di calcolare a quale valore dell’energia la sorgente abbia prodotto la maggior parte dell’emissione. L’informazione viene confermata anche dalla rete di strumenti a bordo di sonde interplanetarie che hanno rivelato il lampo. Anche l’anticoincidenza dello spettrometro a bordo di Integral rivela i primi 3 GRB.

Ma la giornata non è ancora finita. Alle 17:05, il cicalino suona ancora per i controllori, ormai esausti di SWIFT. E’ il quarto GRB della giornata (da 06h 37m, +23°), anche questo ha una controparte X ed una flebile controparte ottica. Il 19 marzo 2008 verrà sicuramente ricordato come la giornata dei record nel campo dei lampi gamma.

Non solo la prima volta in circa 1200 giorni di attività SWIFT ha registrato 4 lampi gamma in poco più di 12 ore, ma si è visto il lampo gamma con la controparte ottica più brillante, potenzialmente visibile ad occhio nudo. C’è anche un altro record più sottile da apprezzare, ma non meno importante. Mentre, in media, solo la metà dei GRB rivelati da SWIFT ha fatto registrare la presenza di una controparte ottica, tutti e quattro i GRB080319 hanno mostrato di avere emissione ottica. Inoltre sono tutti e quattro a latitudini positive. Quando la statistica decide di giocare degli scherzi agli astronomi, non bada a spese. Li stupisce con effetti speciali.

 

 

dicembre 2007: SWIFT coglie in flagrante l’esplosione di una supernova

Il 31 dicembre 2007 nella galassia NGC 2770 scoppia una supernova che viene catalogata come SN 2007 uy. La galassia non è nuova ai cacciatori di Supernovae, ne aveva già ospitato una nel 1999. Gli scopritori vogliono approfittare della vicinanza della galassia ( appena 90 milioni di anni luce) per vedere se (e quando) SN 2007 uy inizierà a produrre radiazione X e chiedono al satellite SWIFT di iniziare una campagna di monitoraggio.

Poiché il tempo di osservazione di SWIFT è richiestissimo, il piano dei puntamenti deve essere studiato con grande cura, tenendo conto delle finestre di osservabilità di ciascuna sorgente. Sulla base di ottimizzazioni automatiche delle manovre da eseguire, SWIFT ha iniziato ad osservare la galassia NGC 2770 il 9 gennaio 2008 alle 13:32:50 sec UT (tempo universale). Una sorgente sconosciuta faceva subito registrare un aumento molto rapido di conteggi. Tempo 100 secondi, il flusso già cominciava a diminuire fino a scomparire del tutto circa dieci minuti dopo. Non si trattava di un lampo gamma perché il telescopio gamma non registrava niente. Il lampo X non proveniva dalla supernova 2007 uy ma un’altra parte della galassia, dove, un’ora dopo, è apparsa una sorgente in ultravioletto. Il giorno dopo i telescopi a terra hanno visto emergere una sorgente con la caratteristiche spettrali di una supernova, chiamata 2008 D. Si tratta della prima supernova per la quale si conosce con precisione l’esatto momento dell’esplosione. Dallo studio dell’emissione X, infatti, si è stimato che l’esplosione sia avvenuta 9 secondi prima dell’inizio dell’osservazione di SWIFT. Se Swift avesse iniziato l’osservazione 10 minuti dopo, non si sarebbe visto nulla e la supernova sarebbe stata scoperta qualche giorno dopo grazie all’emissione ottica.

Vista la brevità dell’emissione X rivelatrice, è interessante stimare quale sia la probabilità di cogliere per caso l’attimo fuggente guardando in una posizione celeste scelta sulla base di altri criteri.

Dobbiamo calcolare la probabilità congiunta di essere al posto giusto nel momento giusto.

Il campo di vista del telescopio X di Swift copre meno della metà della Luna piena, diciamo quattro milionesimi del cielo. La possibilità di una coincidenza spaziale è quindi 1/250.000. Per stimare la probabilità di coincidenza temporale occorre fare il rapporto tra la durata del lampo e la vita della stella. Considerando che stiamo parlando di una stella massiva che avrà vissuto un decina di milioni di anni, il numero che ci interessa è il rapporto tra 10 minuti e dieci milioni di anni: circa 1 decimo di miliardesimo. Questa è la probabilità di coincidenza temporale. Per ottenere la probabilità totale di essere al posto giusto (1/250.000) al momento giusto (1 su 10 miliardi) bisogna moltiplicare i due numeri. Dal momento che avevamo nessuna ragione di considerare proprio quella stella, per correttezza, dobbiamo tenere conto dell’intera popolazione di stelle massicce che avrebbero potuto avere un analogo comportamento nella galassia. Ovviamente non sappiamo quante stelle di grande massa ci siano in NGC2770, ma possiamo stimare il numero in qualche milione. La probabilità finale rimane veramente piccola circa 1 su 4 miliardi. In altre parole, bisognerebbe fare 4 miliardi di tentativi per ripetere l’exploit. C’è anche un altro fattore del quale è difficile tenere conto ma che non possiamo dimenticare.

La Galassia NGC 2770 ha prodotto due supernove in meno di dieci giorni. Si tratta di qualcosa di anomalo, visto che il valore comunemente accettato del tasso di esplosioni di supernovae è di 2-3 per secolo. Mentre la via Lattea ci ha regalato l’ultima supernova visibile 400 anni fa (e ne avrà sicuramente prodotto altre che ci sono state oscurate dalle polveri del piano galattico), NCG2770 è molto più generosa, specialmente se si conta anche la supernova del 1999. Anche ammettendo che NGC2770 abbia un tasso di supernovae anormalmente alto, potremmo aumentare di un fattore due la probabilità che abbiamo calcolato portandola a 1 su 2 miliardi. Difficile apprezzare la differenza.

 

 

23 aprile 2009: SWIFT l’oggetto più lontano dell’universo

I record possono essere battuti di misura oppure possono essere polverizzati. GRB 090423 appartiene alla seconda categoria perché con un redshift di 8.2 ha polverizzato tutti i record precedenti diventando l’oggetto celeste più lontano mai studiato dagli astronomi.

All’inizio il lampo gamma rivelato dal Burst Alert Telescope (BAT) a bordo della missione SWIFT non sembrava essere così speciale. Non era né eccezionalmente intenso, né eccezionalmente lungo, era proprio un evento come ne sono stati registrati centinaia nella operosa vita orbitale del satellite. SWIFT lo ha diligentemente seguito, come fa sempre, ripuntando molto velocemente la posizione del lampo con i suoi telescopi X e ottico. Mentre il lampo veniva facilmente rivelato in X come una sorgente che si va spegnendo, il telescopio ottico e ultravioletto non vedeva niente. E’ una circostanza che si verifica abbastanza spesso e generalmente significa che la controparte ottica della sorgente gamma è troppo debole per essere vista dal piccolo telescopio ottico bordo di SWIFT. Poco male, a terra c’è una nutrita rete di telescopi che sono ormai rodati nella risposta rapida alle allerte di SWIFT per cercare le controparti ottiche. Anche le ricerche da terra si sono rivelate inconcludenti, mentre veniva vista la controparte in infrarosso. Vedere una sorgente in infrarosso ma non in ottico significa che si ha a che fare con un oggetto potenzialmente lontano visto che la radiazione che è stata emessa nell’ottico è stata poi spostata nell’infrarosso a causa dell’espansione dell’Universo. Osservazioni in diverse bande spettrali dell’infrarosso, condotte contemporaneamente da diversi telescopi, hanno subito fatto sospettare un redshift eccezionale. La sorgente veniva rivelata alle lunghezze d’onda più lunghe ma spariva a lunghezze d’onda inferiori ad 1 micron. Sono stati gli astronomi italiani di turno al telescopio Galileo delle Canarie ad arrivare per primi al valore di 8.2, rapidamente confermato da altri gruppi.

Per capire l’importanza del record, pensiamo che il lampo più distante noto in precedenza, rivelato nel settembre dell’anno scorso, ha fatto registrare un redshift di 6,7 mentre la galassia più distante si piazza a 6.96. GRB 090423 è stato prodotto dall’esplosione di una stella molta massiva avvenuta 13,035 miliardi di anni fa.

Rispetto al GRB a redshift 6,7 siamo andati indietro di altri 190 milioni di anni, quando l’Universo aveva appena 630 milioni di anni, pari al 5% dell’età attuale.

Se da un lato la scoperta dimostra che l’Universo ha iniziato a formare molto rapidamente stelle simili a quelle che conosciamo oggi, dall’altro conferma che i lampi gamma sono degli eccezionali mezzi di indagine dell’Universo primordiale e quindi possono essere utilizzati come indicatori cosmologici.

Fa particolarmente piacere notare il ruolo importante svolto dal telescopio Galileo. Nell’anno dell’astronomia, dedicato alle scoperte di Galileo Galilei, un record astronomico è quello che ci vuole.

 

 

GRB090510 e la velocità della luce(PDF - 400 kbyte )

 

Le 500 candeline di SWIFT!

A poco più di 5 anni dal lancio, nel novembre 2004, il contatore dei lampi gamma (GRB per Gamma-ray Burst) scoperti da SWIFT è arrivato a quota 500. Poco meno di 100 l’anno, disposti a caso, a ricoprire la volta celeste.

Se consideriamo il numero totale di lampi gamma che sono stati osservati dalla scoperta di questo straordinario fenomeno celeste, all’inizio degli anni ’70, fino ad oggi, i 500 lampi di SWIFT sono meno di un decimo del patrimonio di lampi gamma di cui disponiamo.

Tuttavia, quando si parla di lampi gamma, SWIFT vuol dire qualità. Qualità è, prima di tutto, una posizione precisa, resa possibile dal ripuntamento rapido con i telescopi X e ottico UV. Qualità è la disponibilità immediata dei dati, la rapidissima divulgazione di tutte le informazioni che permettono agli astronomi ottici di decidere se valga la pena di dedicare un po’ di tempo di osservazione per andare alla ricerca della controparte ottica e, nel caso si trovi qualcosa, di proseguire l’indagine attraverso la spettroscopia. Così, grazie alla misure del redshift, si può misurare la distanza dei lampi gamma. Anche se adesso tutto procede senza sforzo apparente, non è stato facile organizzare a fare funzionare questo complesso meccanismo. Si parte dai burst advocate (i colleghi del team Swift che, a turno, seguono il funzionamento dello strumento in orbita, fanno una analisi rapida dei dati che vengono mandati a terra in tempo reale e comunicano i risultati alla comunità dando una mano , quando necessario, a coordinare gli sforzi osservativi alle varie lunghezze d’onda) per arrivare fino agli astronomi di turno ai telescopi che devono decidere se interrompere la sequenza osservativa in corso per puntare le coordinate del lampo. Non è un caso che l’80 % dei lampi con il cartellino della distanza sono stati scoperti e studiati con SWIFT.

Nella vita degli astronomi che studiano i lampi gamma non esiste la tranquilla routine. Come vediamo dal grafico del numero di lampi gamma registrati giorno per giorno, in funzione del tempo che passa, non esistono regole. Mentre molti giorni suono vuoti, altri fanno registrare 2,3 ma anche 4 GRB. I lampi gamma scoppiano quando vogliono, ma tutti devono essere seguiti con uguale attenzione perché ogni evento può fornire qualche informazione cruciale. Mentre SWIFT ha imparato a procedere in modo pressoché automatico, riconoscendo autonomamente i lampi gamma ed inviando a terra i parametri fondamentali, i dati X devono essere analizzati in fretta, ma accuratamente, perché è dalle immagini X che vengono estratte le coordinate che saranno subito puntate da telescopi ottici sparsi per tutto il pianeta. Tutto procede attraverso le GCN (abbreviazione per Gamma-Ray Bursts Coordinates Network), brevi mail che vengono spediti alle liste di cacciatori di GRB. Alcuni piccoli telescopi ottici reagiscono automaticamente e, se le coordinate sono accessibili, eseguono una sequenza preordinata di osservazioni. Poiché SWIFT invia la prima GCN appena rivela un lampo, dando informazioni sulla posizione non ancora raffinate, ma già utilizzabili dai telescopi robotici con grande campo di vista, è successo che si sia vista anche l’emissione ottica del lampo. Come dicevamo prima, la routine non esiste. Non abbiamo ancora trovato un modo per capire fin dall’inizio se un GRB (seguito da 6 numeri, ad indicare, l’anno, il mese ed il giorno, ed una lettera A,B,C,D, per indicare l’ordine di rivelazione nel corso della giornata, ovviamente considerata in Tempo Universale) è interessante oppure se è uno dei tanti.

GRB090423, per esempio, non sembrava niente di eccezionale, invece si è dimostrato l’oggetto celeste più lontano mai rivelato con un redshift di più di 8, corrispondente ad una distanza di 13.04 miliardi di anni luce. Questo lampo ha iniziato il suo viaggio 600 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’Universo aveva appena il 5% dell’età attuale.

A metà strada nell’Universo visibile, a circa 7,5 miliardi di anni luce da noi, si colloca GRB 080319B che, per pochi istanti, ha prodotto abbastanza luce da arrivare a magnitudine 5,3 ed essere quindi potenzialmente visibile ad occhio nudo. Purtroppo nessuno ha approfittato della straordinaria opportunità di “vedere” l’oggetto più distante, e di gran lunga più brillante, dell’Universo. L’attimo fuggente è stato colto da un telescopio robotico.

Il lampo n. 500 è GRB 100413B, scoperto a posteriori nei dati dello strumento BAT (Burst Alert Trigger) che non aveva potuto accorgersi del lampo perché stava effettuando una manovra di ripuntamento. Per ironia del distino, quindi, questo lampo “storico” è uno dei meno fortunati perché la rivelazione con BAT non è stata seguita dal ripunta mento dei telescopi X e ottico. L’onore di SWIFT è stato risollevato dal lampo successivo GRB100414A un altro GRB lungo per il quale è stata trovata controparte X e ottica, dal cui spettro si è subito estratto il redshift di 1,368: una distanza cosmologica ma “normale” per i lampi gamma.

La grande maggioranza dei lampi gamma visti da SWIFT sono classificati come eventi lunghi perché durano più di 2 secondi, una significativa minoranza sono più brevi. Su questi all’inizio della missione SWIFT si sapeva ben poco. Mentre per i lampi lunghi c’era stato il contributo fondamentale del satellite italiano BeppoSAX che aveva mostrato che la carta vincente per capire i GRB era l’osservazione X della luminescenza residua, quelli brevi erano stati molto più elusivi, protetti proprio dalla brevità che li rende difficilissimi da rivelare.

SWIFT ha scoperto il suo primo lampo breve il 9 maggio del 2005, GRB 050509B, un flash di 0.03 secondi che ha prodotto 11 fotoni X che hanno permesso la localizzazione dell’evento e la sua associazione ad una galassia ellittica, molto diversa dalle galassie che ospitano i lampi lunghi. Alla lista dei lampi scoperti da SWIFT si devono poi aggiungere quelli scoperti da altri satelliti, come Integral, Fermi o Agile e poi ripuntati da Swift per ottenere un posizionamento preciso.

Non è solo la durata a rendere diversi questi eventi. Mentre i lampi corti avvengono in galassie abbastanza vicine, i lampi lunghi avvengono in galassie più lontane. Non è un caso che il GRB più vicino sia un GRB corto ed il più lontano sia lungo. In astronomia conoscere la distanza significa poter calcolare l’energetica delle sorgenti che studiamo, quindi avere qualche idee in più sulla loro fisica. Da questo punto di vista i GRB lunghi hanno tutti i record.

Poichè i lampi corti sono meno energetici di quelli lunghi, possono avere origine da eventi meno catastrofici degli altri. Quali sono gli eventi che possono generare i lampi gamma? Per i lampi lunghi, in alcuni casi, che già sono entrati nei libri di testo, osservazioni ottiche nei giorno successivi al lampo gamma hanno rivelato l’emergere dell’emissione di una supernova. Il collegamento tra i lampi lunghi ed una supernova dimostra che questi lampi vengono prodotti nel corso della trasformazione del resto della stella esplosa in un buco nero. Per i lampi corti, invece, non si è trovata alcuna prova di connessione con esplosioni di supernovae. Si pensa piuttosto a sistemi binari formati da due stelle di neutroni le cui orbite si restringono fino a fare toccare le due stelle, innescando un’esplosione che darà origine ad un piccolo buco nero.

In ogni caso, la fisica dei lampi gamma è basata sulla formazione di getti di emissione. Questo permetterebbe di spiegare molti aspetti della fenomenologia osservativa di questi oggetti ma anche di diminuire significativamente le richieste energetiche globali. Supponiamo di avere una certa quantità di energia disponibile liberata dall’esplosione. Fa una bella differenza se io penso di spalmare questa energia su tutta una sfera (producendo emissione isotropa, come fanno le stelle, per esempio) oppure se la concentro in un fascio abbastanza stretto. L’esplosione che genera i GRB produce fasci stretti (tecnicamente si dice che sono collimati) e quindi genera dei fari luminosissimi per coloro che sono all’interno del cono di illuminazione. Ovviamente questo significa che vediamo solo una frazione dei GRB di tutto l’Universo, perché perdiamo tutti quelli che hanno il cono di emissione che non è rivolto verso di noi.

Oltre ad avere dato contributi fondamentali alla fisica dei lampi gamma, SWIFT si sta dimostrando uno strumento straordinariamente potente per lo studio di ogni tipo di sorgente celeste. Mentre va alla caccia dei GRB, infatti, SWIFT svolge un intensissimo programma di osservazioni. Grazie alla su eccezionale versatilità, SWIFT fa una media di circa 60 puntamenti al giorno. Si tratta per lo più di puntamenti brevi, 1.000, 2.000 secondi concatenati per ottimizzare il tempo di osservazione ed evitare di avere ostacoli (per esempio, la terra) nel campo di vista. Non tutto è deciso a priori, il responsabile della missione Neil Gehrels è molto sensibile alla scienza dell’inaspettato e autorizza almeno una TOO (target of Opportunity) al giorno. Quando nel cielo succede qualcosa, vuoi una supernova, vuoi una Nova, vuoi un episodio di variabilità di una sorgente extragalattica, SWIFT è una risorsa a disposizione della comunità.

 

Il filmato dei 500 lampi di swift (19,8 Mb , mov)

 

 

27 aprile 2010: tasso giornaliero delle scoperte effettuate da SWIFT

Il numero di Lampi Gamma osservati da SWIFT aggiornato al 27 aprile 2010 è 505

Guarda la versione a piena risoluzione

 

 

SWIFT un anno in orbita

 

Scarica la brochure SWIFT (13 Mb, PDF) Parte Swift il rondone cattura lampi di G. Chincarini, S. Covino, M. Sperandio(file PDF) Prendili al volo, Swift! di A. Coletta (file PDF)

 

 

SWIFT in Inglese

 

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