I lampi radio veloce, da fast radio burst (FRB) sono brevi e brillanti emissioni di onde radio provenienti da oggetti estremamente compatti, come stelle di neutroni e, possibilmente, buchi neri e questi fuochi d’artificio cosmici durano solo un millisecondo e possono trasportare un’enorme quantità di energia, tanto da brillare brevemente più di intere galassie.
Dalla scoperta della prima FRB ad oggi
Dal momento in cui la prima lampo radio veloce è stata scoperta nel 2007, gli astronomi hanno rilevato migliaia di FRB, le cui origini vanno dalla nostra galassia fino a 8 miliardi di anni luce di distanza, ma come vengano lanciati questi bagliori radio cosmici è una questione ancora molto dibattuta.
Ora, gli astronomi del MIT (sì, quello stesso istituto che ha creato l’omonima licenza open-source MIT) hanno individuato le origini di almeno un FRB utilizzando una tecnica innovativa che potrebbe fare lo stesso per altri “lampo radio veloce”; nel loro nuovo studio, pubblicato sulla rivista Nature, il team si è concentrato su FRB 20221022A, un FRB precedentemente scoperto, rilevato da una galassia a circa 200 milioni di anni luce di distanza.
Il team ha analizzato più a fondo per determinare la posizione precisa del segnale radio, studiando la sua “scintillazione”, un fenomeno simile a quello delle stelle che tremolano nel cielo notturno. Gli scienziati hanno esaminato le variazioni di luminosità del lampo radio veloce, determinando che l’esplosione deve essere originata dalle immediate vicinanze della sua sorgente, e non da una distanza molto maggiore, come alcuni modelli avevano previsto.
Il team stima che l’FRB 20221022A sia esploso in una regione estremamente vicina a una stella di neutroni rotante, a una distanza massima di 10.000 chilometri. Si tratta di una distanza inferiore a quella tra New York e Singapore. A una distanza così ravvicinata, l’esplosione probabilmente ha avuto origine dalla magnetosfera della stella di neutroni, una regione altamente magnetica che circonda la stella ultracompatta.
I risultati del team forniscono la prima prova conclusiva che un FRB possa originarsi dalla magnetosfera, l’ambiente altamente magnetico che circonda un oggetto estremamente compatto.
“In questi ambienti di stelle di neutroni, i campi magnetici sono davvero ai limiti di ciò che l’universo può produrre“, afferma Kenzie Nimmo, autrice principale dello studio, postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “C’è stato molto dibattito su se questa brillante emissione radio potesse addirittura sfuggire da quel plasma estremo.”
“Attorno a queste stelle di neutroni altamente magnetiche, note anche come magnetar, gli atomi non possono esistere e verrebbero distrutti dai campi magnetici“, aggiunge Kiyoshi Masui, professore associato di fisica al MIT. “La cosa emozionante qui è che troviamo che l’energia immagazzinata in questi campi magnetici, vicino alla sorgente, si sta deformando e riorganizzando in modo che possa essere liberata come onde radio che possiamo osservare a metà del nostro universo.”
Lo studio è stato condotto anche con la collaborazione di Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli e Kaitlyn Shin del MIT, insieme a collaboratori di diverse istituzioni.
Dimensione dell’esplosione
Le rilevazioni di FRB sono aumentate negli ultimi anni grazie al Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME); la rete di telescopi radio è composta da quattro grandi ricevitori fissi, ognuno con una forma simile a un tubo, tarati per rilevare emissioni radio in un intervallo particolarmente sensibile agli FRB.
Dal 2020, CHIME ha rilevato migliaia di FRB provenienti da tutto l’universo e sebbene gli scienziati concordino generalmente sul fatto che gli FRB provengano da oggetti estremamente compatti, la fisica che ne sta alla base non è ancora chiara.
Alcuni modelli prevedono che gli FRB provengano dalla magnetosfera turbolenta che circonda l’oggetto compatto, mentre altri suggeriscono che gli FRB provengano da onde d’urto che si propagano lontano dall’oggetto centrale.
Per distinguere tra questi due scenari e determinare da dove originano gli FRB, il team ha considerato la scintillazione, l’effetto che si verifica quando la luce proveniente da una piccola fonte luminosa, come una stella, passa attraverso un mezzo, come il gas di una galassia; quando la luce passa attraverso il gas, si piega in modi che fanno sembrare che la stella stia tremolando.
Più piccolo o più lontano è un oggetto, maggiore sarà il suo tremolio. La luce di oggetti più grandi o più vicini, come i pianeti nel nostro sistema solare, subisce meno piegamenti e non appare a tremolare.
Il team ha ipotizzato che, se fossero riusciti a stimare il grado di scintillazione di un FRB, avrebbero potuto determinare le dimensioni relative della regione da cui proviene l’FRB; più piccola è la regione, più vicino sarà il lampo radio alla sua sorgente, e più probabile sarà che provenga da un ambiente magnetico turbolento.
Di contro: più grande è la regione, più lontano sarà il lampo, supportando l’idea che gli FRB provengano da onde d’urto lontane.
Il pattern della scintillazione
Per testare la loro ipotesi, i ricercatori hanno esaminato l’FRB 20221022A, un FRB rilevato da CHIME nel 2022. Il segnale dura circa due millisecondi ed è un FRB relativamente comune in termini di luminosità.
i collaboratori del team di McGill University hanno scoperto che l’FRB 20221022A presentava una caratteristica eccezionale: la luce proveniente dall’esplosione era altamente polarizzata, con l’angolo di polarizzazione che seguiva una curva a forma di S. Questo pattern è interpretato come una prova che il sito di emissione dell’FRB stia ruotando, una caratteristica precedentemente osservata nelle pulsar, che sono stelle di neutroni altamente magnetizzate e rotanti.
Vedere una polarizzazione simile negli FRB è stato un primo assoluto, suggerendo che il segnale potrebbe essere emerso dalla vicinanza di una stella di neutroni. I risultati del team di McGill sono riportati in un articolo complementare pubblicato oggi su Nature.
Il team del MIT ha realizzato che, se l’FRB 20221022A proveniva dalle vicinanze di una stella di neutroni, avrebbero potuto dimostrarlo utilizzando la scintillazione.
Nel loro nuovo studio, Nimmo e i suoi colleghi hanno analizzato i dati di CHIME e osservato forti variazioni di luminosità che indicavano scintillazione, ovvero, l’FRB stava tremolando. Hanno confermato che esiste gas tra il telescopio e l’FRB che piega e filtra le onde radio.
Il team ha quindi determinato dove si trovava questo gas, confermando che il gas all’interno della galassia ospite dell’FRB era responsabile di parte della scintillazione osservatae questo gas ha agito come una lente naturale, permettendo ai ricercatori di concentrarsi sul sito dell’FRB e determinare che l’esplosione proviene da una regione estremamente piccola, stimata in circa 10.000 chilometri di larghezza.
“Questo significa che l’FRB è probabilmente a poche centinaia di migliaia di chilometri dalla sorgente“, dice Nimmo. “È molto vicino. Per fare un confronto, ci aspetteremmo che il segnale fosse a decine di milioni di chilometri di distanza se fosse originato da un’onda d’urto, e non vedremmo alcuna scintillazione.”
“Zoomare su una regione di 10.000 chilometri, a 200 milioni di anni luce di distanza, è come misurare la larghezza di una doppia elica di DNA, che è lunga circa 2 nanometri, sulla superficie della luna“, aggiunge Masui. “C’è una gamma straordinaria di scale coinvolte.“
I risultati degli scienziati
I risultati del team, combinati con i dati del team di McGill, escludono la possibilità che l’FRB 20221022A sia emerso dai margini di un oggetto compatto; ma al contrario, gli studi dimostrano per la prima volta che gli FRB possono originarsi da una distanza molto ravvicinata a una stella di neutroni, in ambienti magnetici estremamente turbolenti.
“Questi esplosioni accadono continuamente, e CHIME ne rileva diversi al giorno“, dice Masui. “Ci potrebbe essere molta diversità in come e dove si verificano, e questa tecnica di scintillazione sarà molto utile per aiutare a districare la fisica che sta alla base di questi esplosioni.”
Questa ricerca è stata supportata da diverse istituzioni, tra cui la Canada Foundation for Innovation, il Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics dell’Università di Toronto, il Canadian Institute for Advanced Research, il Trottier Space Institute dell’Università di McGill e l’Università della Columbia Britannica.
