Quanta luce è stata prodotta finora?

La maggior parte dei cosmologi è d’accordo. Anzi, quasi tutti lo sono: l’universo è iniziato da un “grande scoppio“. Ad un certo punto, intorno ai 13,8 miliardi di anni fa, si è accesa la luce. A proposito di luce, ci si può chiedere, ma quanta ne è stata prodotta dall’universo, in tutto questo tempo?

Bene. Sembrerebbe difficile ottenere una risposta, così su due piedi. Pensiamo ad una comune lampadina. Quando la spegniamo i fotoni sono scomparsi, svaniti nello spazio. Difficile, impossibile, poterli contare, ormai.

Un momento, però… Nello spazio non è esattamente così.  Nello spazio i fotoni possono ancora essere contati. Ogni particella di luce emessa da una galassia o da una stella sta ancora viaggiando, dopotutto. Ecco perché siamo in grado di andare tanto lontano (e tanto indietro nel tempo) con i nostri telescopi.

Un articolo appena uscito sulla rivista Astrophysical Journal si propone di esplorare la natura di questa “luce diffusa extragalattica” (chiamata brevemente EBL, dalla dizione inglese Extragalactic Background Light). Il team che ha prodotto il lavoro lo dice chiaramente, “per la cosmologia è fondamentale (conoscerla) tanto quanto misurare la radiazione residua dal Big Band (la radiazione cosmica di fondo) alle lunghezze d’onda del radio”

Investigando un po’, viene fuori che diverse sonde della NASA, ad esempio, hanno già fornito validissimi strumenti per iniziare a formulare una risposta. Le sonde hanno investigato l’universo in ogni possibile lunghezza d’onda, dalle più lunghe e deboli onde radio fino ai raggi gamma sprizzanti energia.  Per quanto la loro capacità di indagine non si possa spingere fino ai primi istanti di vita dell’universo, nondimeno ci forniscono utilissimi dati dagli ultimi cinque miliardi di vita dell’universo circa (che poi è – per coincidenza – anche l’età stessa del sistema solare).

Tuttavia rimane una obiezione (almeno). Difficile osservare la debole luce di sottofondo nell’universo, soprattutto in presenza delle stelle e delle galassie, più o meno come sarebbe difficile vedere la Via Lattea da una grande città. E allora? La soluzione c’è (…l’avreste sospettato?) e coinvolge i raggi gamma e i blazar, enormi buchi neri nel centro di una galassia che producono getti di materiale e lampi – come la luce di un flash – che possono puntare verso la Terra.

Ci siete ancora? Perché adesso arriva il “trucco”. Non tutti i raggi gamma prodotti dai balzar, con la giusta direzione, raggiungono la Terra. Può infatti capitare che qualcuno di loro colpisca un fotone EBL che si era venuto a trovare nel percorso. Quando succede una cosa del genere, il raggio gamma e il fotone si annullano tra loro e producono una coppia elettrone-antielettrone (un elettone carico positivamente).

Immagine artistica che raffigura l'interazione tra un blazar e i fotoni di "sfondo" presenti nel tragitto dei raggi gamma. Sono mostrati anche strumenti di misura che si "interessano" del fenomeno. (Crediti: Nina McCurdy and Joel R. Primack/UC-HiPACC; Blazar: Frame from a conceptual animation of 3C 120 created by Wolfgang Steffen/UNAM)
Immagine artistica che raffigura l’interazione tra un blazar e i fotoni di “sfondo” presenti nel tragitto dei raggi gamma. Sono mostrati anche strumenti di misura che si “interessano” del fenomeno. (Crediti: Nina McCurdy and Joel R. Primack/UC-HiPACC; Blazar: Frame from a conceptual animation of 3C 120 created by Wolfgang Steffen/UNAM)

Cosa ancora più interessante, i blazar producono raggi gamma di varia energia, che a loro volta vengono fermati da fotoni ELB di energia diversa. Così, ricavando quando raggi gamma di varia energia sono stati fermati dai fotoni, possiamo avere finalmente una stima di quanti fotoni ELB ci sono tra noi e i balzar più distanti. Un po’ come dire, da quanta pioggia è stata trattenuta dagli alberi in una foresta, possiamo formulare una ipotesi su quanti alberi ci siano, senza guardare in alto.

Non solo, ma possiamo vedere come il numero si è modificato. Ebbene, i ricercatori hanno appena annunciato di essere riusciti a vedere come la quantità di radiazione EBL è cambiata nel tempo. In questa ricerca, andare in direzione dell’universo lontano, è come andare indietro nel tempo. Così man mano che la ricerca prosegue, e si riescono a vedere i raggi gamma dei blazar più lontani, possiamo anche riuscire a mappare meglio i cambiamenti della radiazione ELB nelle epoche più remote. L’articolo citato riporta le misure che è possibile effettuare al giorno d’oggi, come detto, limitate agli ultimi cinque miliardi di anni.

In ogni caso, la tecnica è pronta e può funzionare anche su blazar più lontani (e ce ne sono, ce ne sono…), non appena gli strumenti di osservazione ce lo permetteranno. Un giorno potremo dunque rispondere  con piena ragionevolezza anche alla domanda “ma quanta luce ha prodotto l’universo finora?”

 Rielaborazione di un articolo da Universe Today. Press release originale qui.

VERITAS aiuta a comprendere la sorgente dei lampi gamma

Circa cento anni fa, gli scienziati si imbatterono nelle prime evidenze dei “lampi gamma” (gamma ray burst, in inglese), in realtà più che raggi o lampi che dir si voglia, particelle subatomiche (per lo più protoni) che percorrono lo spazio quasi alla velocità della luce.

Fin dalla scoperta, gli astronomi si sono interrogati su quale forza naturale potesse accelerare  le particelle (piccole ma non troppo, per il  mondo subatomico..) a tali poderose velocità. Adesso finalmente, grazie a nuove scoperte del telescopio VERITAS, stiamo comprendendo come i lampi gamma siano probabilmente alimentati dalle stelle in esplosione e dai venti stellari..

L’origine dei lampi gamma è una tematica di grande interesse in astrofisica; per capire la peculiarità di tale fenomeno, basti pensare al fatto che i più energetici (e rari) tra questi lampi, ci parlano di una energia che risulta addirittura 100 miliardi di volte superiore a quella che è possibile produrre dai più potenti acceleratori di particelle sulla Terra! Con il tempo, gli astronomi hanno individuato tecniche piuttosto furbe per quanto riguarda la detezione di lampi gamma che colpiscono l’atmosfera terrestre. Trovare quelli più distanti comunque è tutta un’altra cosa e richiede un impegno sostanzialmente maggiore.

Lo strumento VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), in questo difficile ambito, ha portato decisivi contributi, poichè ha scoperto nuove evidenze di lampi gamma in Messier 82 (la cosiddetta Galassia Sigaro),  che si trova a circa 12 milioni di anni luce da noi, in direzione della costellazione dell’Orsa Maggiore.

La scoperta – predetta da oltre venti anni ma mai verificata prima – supporta con decisione lo scenario teorico secondo il quale le supernovae e i venti originati dalle stelle di grande massa sarebbero i maggiori responsabili dell’accelerazione delle piccole e velocissime particelle. Galassie con alto tasso di formazione stellare come M82, note anche come galassie starburst, possiedono al loro interno un grandissimo numero di supernovae e stelle di grande massa, a vita breve. Se dunque la teoria regge, proprio tali galassie dovrebbero contenere più raggi cosmici che ogni altro tipo di galassia. L’analsi dei dati di VERITAS va proprio in questo senso,poichè ci mostra come la densità di raggi cosmici in M82 è circa 500 volte quella di una “normale” galassia.

Una immagine composita della galassia attiva M82
Crediti: NASA,ESA,CXC,JPL-Caltech

La scoperta è decisamente interessante (frutto di due anni di paziente raccolta dati dedicata al progetto) ed è ora considerata come un passo avanti fondamentale nella piena comprensione dell’origine dei lampi gamma, un affascinante interrogativo che ha tenuto occupati gli astronomi e gli astrofisici per decenni: chi scrive ricorda i non pochi seminari a cui ha assistito – prima come studente e poi fino all’approdo a ricercatore – sull’analisi dei raggi gamma e sulle ipotesi riguardo alla loro origine. Ora un importante tassello sembra finalmente essere stato messo al suo posto…

HS Center for Astrophysics Press Release

Satellite Swift

Dal sito Swift.gsfc.nasa.gov  volentieri traduco e riassumo in queste brevi note i temi della missione di studio dei lampi gamma da parte del satellite Swift che verrà lanciato da Cape Canaveral intorno al 17/11/2004…

La missione di Swift consiste nello studio della relazione tra lampi gamma e formazione dei buchi neri portando così a compimento una trentennale attività volta a capire la natura di questi lampi che brillano più di un bilione di Soli, che consistono in eventi celesti effimeri e che durano da pochi millesimi si secondo a pochi minuti. Oggetto dello studio è anche il fenomeno cosiddetto di afterglow , cioè di quel bagliore conseguente ad un lampo gamma che si può protrarre per ore ed anche per settimane consentendo così un rapido puntamento di altri telescopi collegati. Questo fenomeno tra l’altro è stato rivelato per primo dal satellite italiano Beppo-Sax nel febbraio del 1997. Mentre la relazione tra alcuni lampi gamma e l’esplosione di supernovae sembra consolidata, altri possono segnalare l’unione di stelle di neutroni o buchi neri orbitanti in sistemi di stelle binari. Su questo panorama scientifico indagherà Swift che produrrà anche una gran mole di dati per gli enti di ricerca e per il pubblico di appassionati di astronomia.