Un radiotelescopio australiano ha captato il bagliore residuo di un lampo di raggi gamma il cui getto non era orientato verso la Terra: si tratta di uno degli esempi più convincenti mai osservati di orphan afterglow, un fenomeno teorizzato da decenni ma straordinariamente difficile da individuare. Lo studio, con il contributo di tre ricercatori dell’INAF, verrà pubblicato su The Astrophysical Journal.
L’universo produce continuamente eventi di energia straordinaria, molti dei quali rimangono invisibili agli strumenti terrestri e spaziali. Non perché siano troppo deboli, ma perché la loro radiazione è diretta altrove. I lampi di raggi gamma (GRB, dall’inglese gamma-ray burst) sono tra gli esempi più estremi di questo fenomeno: esplosioni brevissime e di intensità senza pari, generate dal collasso di stelle massicce in buchi neri o dalla fusione di oggetti compatti, che sparano nello spazio getti di plasma a velocità prossime a quella della luce.
La radiazione prodotta da questi getti non si distribuisce uniformemente in tutte le direzioni. Per effetto dell’aberrazione relativistica, la luce emessa da un plasma in moto ultrarelativistico si concentra in modo estremo nella direzione del moto: nella direzione del getto, l’emissione è intensa e rilevabile; nelle direzioni laterali, è praticamente nulla. Ne consegue che un GRB è osservabile dalla Terra solo se uno dei suoi getti punta direttamente verso il nostro pianeta. Quando il getto è orientato altrove, l’esplosione passa del tutto inosservata.
Questo significa che la stragrande maggioranza dei lampi di raggi gamma non viene mai registrata. Osserviamo solo quelli che ci puntano addosso, come se stessimo guardando i fari di un’auto che avanzano verso di noi, ignari di tutte le auto che procedono in altre direzioni.
Dopo l’emissione del lampo gamma, il getto non si ferma. Il plasma continua a espandersi nel mezzo interstellare a velocità superluminare, trasportando con sé una quantità enorme di energia cinetica. L’interazione tra questo flusso di plasma e il gas interstellare genera un’onda d’urto, chiamata blastwave, che converte progressivamente l’energia cinetica del getto in radiazione elettromagnetica ad ampio spettro.
Questa emissione secondaria, molto più lenta e prolungata rispetto al lampo iniziale, prende il nome di afterglow (post-luminescenza). Nelle prime ore e nei primi giorni dopo l’esplosione, anche l’afterglow è soggetto all’aberrazione relativistica e risulta visibile solo se il getto era orientato verso l’osservatore. Col tempo, però, la blastwave accumula massa interstellare, rallenta, e l’aberrazione relativistica si riduce progressivamente.
Quando la velocità scende al di sotto di una certa soglia, l’emissione cessa di essere concentrata nella sola direzione del getto e si diffonde in un cono sempre più ampio. A questo punto, anche un osservatore che non si trovava nella traiettoria originale del getto può iniziare a ricevere la radiazione. Si genera così un paradosso apparente: un afterglow rilevabile in assenza di qualsiasi lampo gamma osservabile che lo preceda.
Questa categoria di fenomeni, afterglow rilevati senza il corrispondente GRB, viene definita orphan afterglow, o post-luminescenza orfana. Il termine fu coniato nel 1997 dall’astrofisico James E. Rhoads, che ne propose la ricerca sistematica come test osservativo fondamentale per verificare la natura relativistica dei getti dei GRB. Se i lampi gamma sono davvero prodotti da getti stretti e non da esplosioni isotrope, ragionava Rhoads, gli orphan afterglow dovrebbero essere molto più numerosi dei GRB stessi: per ogni getto che punta verso la Terra, ce ne sono molti altri orientati altrove.
In pratica, individuare questi segnali orfani si è rivelato straordinariamente difficile. La loro ricerca richiede di sorvegliare vaste porzioni di cielo senza sapere dove o quando un segnale potrebbe comparire, riconoscendo un transiente radio tra migliaia di possibili sorgenti variabili, senza alcuna allerta proveniente dai rilevatori di raggi gamma. A quasi tre decenni dalla previsione teorica, i candidati orphan afterglow confermati restano pochissimi e la loro natura è ancora oggetto di dibattito scientifico.
La svolta descritta in uno studio in corso di pubblicazione su The Astrophysical Journal, che vede tra gli autori Giancarlo Ghirlanda, Om Sharan Salafia dell’INAF di Brera e Roberto Soria dell’INAF di Torino, è arrivata grazie all’Australian SKA Pathfinder (ASKAP), un radiotelescopio composto da 36 antenne paraboliche situato nella regione dell’Inyarrimanha Ilgari Bundara, nell’Australia Occidentale.
ASKAP è progettato per sorvegliare ampie porzioni di cielo con elevata cadenza temporale, rendendolo particolarmente adatto alla ricerca di transienti radio: sorgenti che compaiono, variano e si estinguono nell’arco di settimane, mesi o anni. Analizzando i dati di una delle sue survey a grande campo, il team ha identificato una sorgente radio denominata ASKAP J005512-255834, del tutto assente nelle immagini precedenti dello stesso campo.
La sorgente ha mostrato un comportamento distintivo: una rapida crescita in luminosità, con un picco di potenza radio dell’ordine di 10³² joule al secondo, una quantità paragonabile all’emissione radio combinata di miliardi di stelle come il Sole, seguita da un lento e progressivo declino nel tempo. La sorgente è rimasta rilevabile per oltre 1.000 giorni, un arco temporale del tutto incompatibile con la maggior parte dei transienti radio noti, che tendono a evolversi in ore o giorni, oppure a ripetersi ciclicamente.
Il comportamento di ASKAP J005512-255834 corrisponde con notevole precisione a quanto i modelli fisici prevedono per un orphan afterglow. In primo luogo, la curva di luce, l’andamento della luminosità nel tempo, segue la progressione attesa per una blastwave relativistica in espansione che rallenta gradualmente. In secondo luogo, la sorgente è risultata praticamente invisibile in tutte le bande dello spettro elettromagnetico diverse dal radio: nessuna controparte nei raggi X, nessuna controparte ottica rilevante. Anche questo è atteso: nelle fasi tardive di un afterglow orfano, l’emissione radio è la componente spettrale dominante e più persistente.
L’assenza di segnali gamma all’epoca stimata dell’esplosione è coerente con l’ipotesi che il getto fosse orientato lontano dalla Terra: l’evento energetico primario è passato inosservato, e solo la sua eco radio, diventata accessibile al rallentamento della blastwave, ha tradito l’esistenza dell’esplosione.
ASKAP J005512-255834 è localizzata all’interno di una galassia irregolare compatta situata a circa 1,7 miliardi di anni luce dalla Terra. La galassia è in fase di intensa formazione stellare, caratteristica comune agli ambienti che ospitano eventi energetici estremi legati all’evoluzione di stelle massicce.
La posizione dell’esplosione all’interno della galassia è significativa: non coincide con il nucleo galattico, dove risiedono tipicamente i buchi neri supermassicci, ma è spostata verso la periferia, in corrispondenza di una regione compatta di formazione stellare che potrebbe identificarsi con un ammasso stellare giovane. Questa collocazione periferica ha implicazioni rilevanti per l’interpretazione della natura del fenomeno.
L’interpretazione più immediata di ASKAP J005512-255834 è quella di un GRB prodotto dal collasso di una stella massiccia, un evento noto come long GRB, il cui getto era orientato lontano dalla Terra. Il collasso stellare in buco nero, con conseguente espulsione di getti relativistici, avviene preferenzialmente in regioni di intensa formazione stellare, dove le stelle massicce sono abbondanti e completano rapidamente il loro ciclo evolutivo. L’ambiente galattico della sorgente è perfettamente compatibile con questo scenario.
Esiste tuttavia una seconda interpretazione, più insolita e potenzialmente ancora più significativa. La posizione periferica della sorgente, lontana dal nucleo galattico, apre la possibilità che il getto radio sia stato prodotto non dal collasso di una stella massiccia, ma da un evento di tidal disruption (TDE): la distruzione mareale di una stella che si è avvicinata troppo a un buco nero, venendo lacerata dalla sua forza gravitazionale.
Gli eventi di tidal disruption sono solitamente associati ai buchi neri supermassicci nei nuclei galattici. La posizione periferica di ASKAP J005512-255834, però, suggerisce che il buco nero responsabile potrebbe essere un esemplare della categoria dei buchi neri di massa intermedia (IMBH, intermediate mass black holes): oggetti con masse comprese tra qualche centinaio e qualche milione di masse solari, la cui esistenza è teoricamente prevista ma osservativamente difficile da confermare.
I buchi neri di massa intermedia occupano un posto peculiare nella fisica dei buchi neri. Da un lato, i buchi neri stellari, prodotti dal collasso di singole stelle, hanno masse tipicamente comprese tra pochi e qualche decina di masse solari. Dall’altro, i buchi neri supermassicci al centro delle galassie hanno masse da milioni a miliardi di volte quella del Sole. Tra questi due estremi, la categoria degli IMBH rimane la meno esplorata osservativamente.
Si ritiene che i buchi neri di massa intermedia possano risiedere negli ammassi globulari e nelle regioni di intensa formazione stellare nelle periferie galattiche, dove la dinamica collisionale tra stelle dense può favorire la loro formazione per fusioni progressive. Identificarli è difficile proprio perché, in assenza di accrescimento di materia, non emettono segnali rilevanti. Solo quando ingeriscono una stella, diventando temporaneamente molto luminosi, possono tradire la loro presenza.
Se ASKAP J005512-255834 fosse confermato come un TDE attorno a un IMBH, si tratterebbe della prima individuazione di un buco nero di massa intermedia basata esclusivamente sulla sua emissione radio, senza la necessità di rilevare l’emissione ottica o nei raggi X tipicamente associata agli eventi di tidal disruption.
Uno degli aspetti più rilevanti di questa scoperta è di natura metodologica. Individuare un orphan afterglow richiede di affrontare simultaneamente due difficoltà: la vastità del cielo da sorvegliare e la debolezza del segnale nel momento in cui diventa osservabile. Come sottolineato dagli autori dello studio, quando la blastwave rallenta abbastanza da diventare visibile a osservatori non allineati con il getto originale, il suo flusso si è già ridotto considerevolmente rispetto al picco iniziale. Il segnale è debole, diffuso e privo di qualsiasi allerta associata.
ASKAP si è rivelato lo strumento adatto per questo tipo di ricerca grazie alla combinazione di ampio campo visivo, alta sensibilità e capacità di mappare il cielo ripetutamente nel tempo. La sua architettura a phased array feed, un sistema di ricevitori multipli per antenna che consente di osservare simultaneamente porzioni di cielo molto estese, lo rende particolarmente efficiente nella ricerca di transienti a evoluzione lenta.
Per distinguere definitivamente tra i due scenari interpretativi, GRB orfano da collasso stellare o TDE attorno a un buco nero di massa intermedia, saranno necessarie osservazioni multifrequenza condotte simultaneamente in diverse bande spettrali. Le osservazioni radio ad alta risoluzione con MeerKAT e in futuro con il Square Kilometre Array (SKA) permetteranno di caratterizzare con maggiore precisione la geometria e la cinematica della blastwave in espansione.
Le osservazioni nei raggi X, condotte con telescopi come Swift o il più recente Einstein Probe, saranno decisive per rilevare o escludere l’emissione termica tipica degli eventi di tidal disruption nelle fasi di accrescimento attivo attorno al buco nero. La combinazione di questi dati permetterà di ricostruire con maggiore affidabilità la storia energetica dell’evento e di identificarne la natura.
La scoperta di ASKAP J005512-255834 dimostra che l’universo nasconde ancora una popolazione di eventi estremi che sfuggono ai cataloghi tradizionali dei GRB. Ogni esplosione cosmica non rilevata direttamente lascia comunque una traccia nel tessuto del mezzo interstellare: un’eco radio che si espande lentamente, sempre più debole, fino a dissolversi nel rumore di fondo. Imparare a riconoscere queste tracce significa accedere a una finestra osservativa completamente nuova sugli eventi più energetici dell’universo.