Radioastronomia: il mistero di FRB 121102

Articolo di Albino Carbognani, Ph.D., INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna

Per alcuni millenni, seguendo la concezione di Aristotele, il mondo celeste fu ritenuto eterno e incorruttibile, in contrapposizione al mondo terrestre in cui il cambiamento è all’ordine del giorno. Questa distinzione dogmatica fra Terra e Cielo iniziò a incrinarsi grazie alle rivoluzionarie scoperte fatte da Galileo con il suo telescopio, a partire dal 1609. L’osservazione dei rilievi lunari, delle macchie solari e delle fasi di Venere dimostravano che il Cielo non era quel mondo di perfezione che riteneva Aristotele. Anche la sfera celeste era tutt’altro che immutabile e mostrava dei cambiamenti, come fu chiaro con l’apparizione temporanea della “stella nuova” del 1572, osservata a occhio nudo da Tycho Brahe o di quella del 1604 osservata dal grande Giovanni Keplero. Oggi sappiamo che si trattava di supernovae ossia di stelle massicce che – giunte alla fine del loro ciclo vitale – esplodono. Le supernovae però sono eventi “una tantum” e il loro sporadico apparire non bastò per abbattere il dogma dell’immutabilità del Cielo. Finalmente, nel 1638, l’astronomo olandese Johannes Holwarda scoprì la variabilità periodica della stella Mira Ceti, nella costellazione della Balena. Holwarda determinò un periodo di circa 330 giorni, dopo i quali la stella ripeteva il suo ciclo di luminosità. Con la scoperta delle stelle variabili non si aveva più a che fare con fenomeni estemporanei, come le supernovae, ma con eventi periodici e osservabili da tutti. Questa fu una pietra miliare: il primo passo lungo la strada che ha portato alla comprensione della fisica stellare.

La scoperta dei lampi radio veloci

Dal 1638 a oggi l’astronomia (e la fisica) hanno fatto passi da gigante, ma il cielo ci pone sempre nuove sfide, come quella dei Fast Radio Burst (FRB) ossia i lampi radio veloci. Dal punto di vista osservativo i FRB consistono in brevi impulsi radio, della durata dei millisecondi, con frequenze comprese fra circa 300 MHz (1 metro di lunghezza d’onda) e 8 GHz (3,7 cm). Cadendo nel dominio radio i FRB non sono osservabili con i telescopi ottici ma con i radiotelescopi. Il primo FRB fu scoperto casualmente nel 2007 dallo studente David Narkevic mentre analizzava, su suggerimento del suo professore Duncan Lorimer, i dati radio ripresi il 24 luglio 2001 con il radiotelescopio di 64 m di diametro dell’osservatorio di Parkes in Australia, mentre era puntato verso la Piccola Nube di Magellano (PNM)1. Questo primo FRB ebbe una durata di soli 5 millisecondi con una densità di flusso di 30 jansky (Jy). Per confronto, il Sole nelle onde radio entro il range di frequenza dei FRB, ha una densità di flusso di circa 1.600.000 Jy. Tuttavia il Sole è a soli 150 milioni di km dalla Terra mentre il FRB di Lorimer, come è stato chiamato questo primo evento, si colloca al di fuori della Via Lattea e ben oltre la Piccola Nube di Magellano1. Quella dei FRB è una branca della radioastronomia molto giovane, ancora nella sua infanzia e ricca di opportunità di crescita e sviluppo.

Una panoramica sui FRB

Dal 2007 a oggi sono stati rilevati più di 100 FRB, denominati usando la sigla convenzionale “FRB AAMMGG”, ossia in base alla data in cui il segnale è stato ricevuto. A questa – negli articoli scientifici – può seguire un’eventuale seconda sigla che riporta in modo compatto le coordinate della posizione in cielo. Tuttavia, del centinaio di FRB noti, solo quattro sono state localizzati con accuratezza in cielo e associati a una galassia ospite. In base al numero di eventi osservati, gli astrofisici stimano che si verifichino tra 2.000 e 10.000 FRB ogni giorno. All’inizio del 2020 erano stati osservati solo due tipi di FRB: unici oppure ricorrenti. I FRB unici sono “una tantum”, probabilmente dovuti a eventi stellari catastrofici. Al contrario, i ricorrenti si manifestano come impulsi radio sporadici e irregolari provenienti sempre dalla stessa posizione in cielo. In media, se si tiene conto della distanza extragalattica a cui l’evento si colloca, si trova che un tipico FRB emette in pochi millisecondi la stessa energia che il Sole emette in 10.000 anni. Si tratta quindi di fenomeni molto energetici e per giustificarne l’emissione, nei modelli teorici sulla loro origine, si ricorre alla presenza di corpi celesti compatti dotati di un elevato campo gravitazionale, come le nane bianche, le stelle di neutroni e i buchi neri.

Nel caso dei FRB unici gli eventi catastrofici in grado di generarli includono intensi flare di magnetar2, il collasso di stelle di neutroni rotanti supermassive magnetizzate, fusioni di sistemi binari di stelle di neutroni, fusioni di nane bianche binarie, collisioni tra stelle di neutroni e asteroidi/ comete, collisioni tra stelle di neutroni e nane bianche oppure evaporazione di buchi neri primordiali. Nel caso dei FRB ricorrenti, vari modelli suggeriscono che questi potrebbero essere causati dal trasferimento di massa in un sistema binario compatto composto da una stella di neutroni e una nana bianca, oppure da terremoti stellari delle pulsar. Come si vede le cause dei FRB possono essere diverse e non c’è un consenso unanime sulla loro origine fisica, servirebbero molti più dati osservativi.

In ogni caso, indipendentemente dalle cause astrofisiche dei FRB, è la misura della distanza il primo scoglio da superare, perché solo conoscendo la distanza si può stimare l’energia emessa nello spazio e quindi costruire dei modelli in grado di spiegarli. Com’è stato superato l’ostacolo nel caso dei FRB?

Stimare la distanza di un FRB

Misurare la distanza di un corpo celeste non è mai una cosa semplice, a maggior ragione per i FRB di cui si sa ancora poco. Tuttavia, nel caso degli impulsi radio, c’è un vantaggio. In generale un impulso radio non è mai monocromatico, ma è composto da un insieme di frequenze vicine fra di loro: un po’ come la luce bianca del Sole che in realtà è composta dai colori che vanno dal rosso al blu. Questo insieme di frequenze è una manna per i radioastronomi perché permette di avere una prima stima della distanza da cui arriva il segnale. Lo spazio che si trova ad attraversare un segnale radio per giungere fino a noi non è perfettamente vuoto, ma contiene – fra le altre cose – elettroni liberi, dovuti alla ionizzazione degli atomi di idrogeno ed elio che permeano l’Universo. Quando un’onda radio attraversa una regione contenente elettroni liberi subisce un ritardo nella propagazione e questo ritardo è proporzionale alla densità degli elettroni e inversamente proporzionale al quadrato della frequenza (fenomeno della dispersione del plasma). Minore la frequenza dell’onda radio, tanto maggiore sarà il ritardo. Quindi un singolo impulso emesso dalla sorgente che parte con tutte le frequenze contemporaneamente viene ricevuto dal radiotelescopio con una dispersione, perché le frequenze più alte arrivano leggermente prima rispetto a quelle più basse. Dalla misura del tempo di arrivo in funzione della frequenza si può ottenere una prima stima della distanza della sorgente, se si ipotizza la densità media degli elettroni che il segnale si è trovato ad attraversare.

Un fenomeno fisico per certi versi analogo si verifica quando un raggio di luce bianca attraversa un prisma di vetro e viene scomposto nei suoi colori fondamentali per effetto dell’interazione della luce con le nubi di elettroni che circondano gli atomi del mezzo che attraversa. La luce blu nel vetro viaggia più lentamente di quella rossa, provocando il fenomeno della dispersione cromatica.

Dal fenomeno della dispersione del plasma fu stabilito che il FRB di Lorimer doveva essere a una distanza di circa 3 miliardi di anni luce dalla Terra, molto oltre la Piccola Nube di Magellano. Questo vale in generale per tutti i FRB: si tratta di sorgenti extragalattiche. Ora è chiaro perché la luminosità intrinseca di un FRB è molto superiore a quella del Sole. Che si tratti di sorgenti extragalattiche era chiaro anche dalla loro distribuzione in cielo che è isotropa e non concentrata sul piano della Via Lattea come accadrebbe se fossero emessi da sorgenti interne alla nostra galassia.

Il FRB 121102

Il 2 novembre 2012 il radiotelescopio di Arecibo (Puerto Rico), rilevò un FRB in direzione della costellazione dell’Auriga. Il segnale mostrava gli effetti della dispersione del plasma e la distanza fu stimabile in circa 3 miliardi di anni luce. Nel maggio e giugno del 2015, sempre da Arecibo, furono rilevati altri 10 FRB nella stessa posizione del precedente e FRB 121102 da evento unico divenne di tipo ricorrente. Il ripetersi del fenomeno fa escludere che sia stato generato da un evento catastrofico che potrebbe avere luogo solo una volta, come – per esempio – la collisione fra due stelle di neutroni. Quello di FRB 121102 è stato il primo caso di FRB ricorrente. Solo qualche anno dopo verrà trovata una seconda sorgente ricorrente, FRB 180814, di cui furono rilevati sei burst tra agosto e ottobre 2018.

Il numero di FRB relativi a FRB 121102 rilevati negli ultimi anni mostrano un andamento periodico con gli impulsi casuali che si concentrano in una finestra temporale di 90 giorni (fasce gialle) e restano silenti per 67 giorni (Crediti: Rajwade et al., 2020).

Un po’ come nel caso della scoperta delle stelle variabili a occhio nudo, la ricorrenza rese FRB 121102 il candidato ideale per cercare di capirne l’origine fisica: finalmente era finita l’era delle scoperte casuali, si poteva puntare il radiotelescopio in una ben determinata direzione in cielo e aspettare i FRB. Il ripetersi del fenomeno ha permesso – prima di tutto – una localizzazione precisa in cielo: nella posizione del FRB si trova una debole galassia nana ellittica alla distanza ottica di circa 3 miliardi di anni luce3. La sorgente del FRB si trova in questa galassia. Grazie a una campagna d’osservazione di quattro anni condotta presso l’Osservatorio di Jodrell Bank e considerando anche le osservazioni precedenti, si è scoperto da pochi mesi che le emissioni di FRB 121102 rispettano uno schema ciclico ossia non solo il fenomeno è ricorrente, ma è pure periodico! Le raffiche di impulsi radio osservati si concentrano in una finestra temporale della durata di circa 90 giorni, seguite da silenzio per 67 giorni. Lo stesso comportamento si ripete quindi ogni 157 giorni4. Quello di FRB 121102, anche se è stato il primo burst ricorrente non è stato il primo FRB periodico. Infatti qualche mese prima si era scoperto che il FRB 180916 era periodico con un periodo di circa 16 giorni5: in questo caso c’è un’emissione di radiazioni per circa quattro giorni seguito da un periodo di inattività di circa 12 giorni, quindi il ciclo si ripete. FRB 180916 è associato a una galassia a spirale di medie dimensioni, posta a circa 500 milioni di anni luce di distanza: si tratta del FRB più vicino scoperto fino ad oggi.

Questi FRB devono essere generati da un fenomeno fisico in grado sia di ripetersi periodicamente sia di dare luogo alle raffiche casuali di burst radio. Mentre nel caso di FRB 180916 il breve periodo aveva fatto ritenere che la periodicità fosse causata dalla precessione dell’asse di rotazione di una pulsar, nel caso di FRB 121102 la periodicità è troppo lunga per essere spiegata in questo modo. Nel caso di FRB 121102 i burst radio potrebbero essere generati da una stella di neutroni appartenente a un sistema binario che – periodicamente – si trova a passare all’interno di una fascia asteroidale collidendo in modo casuale con diversi asteroidi. Considerato l’intenso campo gravitazionale di una stella di neutroni l’asteroide verrebbe notevolmente accelerato e l’energia cinetica rilasciata nel momento della collisione sarebbe sufficiente da giustificare l’emissione di energia nel campo radio.

L’immagine che vedete in evidenza sopra l’articolo mostra la remota galassia nana che ospita il FRB 121102 (Crediti: Gemini Observatory/AURA/NSF/NRC).

Conclusioni

In questo articolo abbiamo passato brevemente in rassegna la scoperta dei FRB e ci siamo concentrati sul FRB 121102, il primo ricorrente e il secondo periodico della sua categoria. Abbiamo visto un modello fisico in grado di spiegare l’origine periodica e casuale dei burst radio, ma molto lavoro resta ancora da fare e domande a cui rispondere. Ad esempio, i FRB singoli sono veramente tali oppure sono ricorrenti su tempi scala lunghi? Si tratta di eventi associati ai gamma ray burst? Durante un FRB vengono emesse anche onde gravitazionali?

In ogni caso la scoperta della periodicità mette fuori dai giochi chi riteneva che gli impulsi radio ricorrenti da FRB 121102 fossero di origine artificiale, un po’ quello che successe nel novembre 1967 quando Jocelyn Bell Burnell e Antony Hewish scoprirono i segnali radio emessi dalle pulsar e – per un breve periodo di tempo – si parlò di segnali radio di origine aliena. In realtà, il mondo fisico può essere molto più sorprendente e sottile di quanto si possa immaginare.

Note:

1 La PNM è una galassia satellite della nostra, posta a una distanza di circa 200.000 anni luce.

2 Una magnetar è una stella di neutroni dotata di un campo magnetico che può essere circa un milione di volte più intenso dei campi magnetici tipici per questa tipologia di astri collassati.

3 S. P. Tendulkar et al., “The Host Galaxy and Redshift of the Repeating Fast Radio Burst FRB 121102”, The Astrophysical Journal Letters, 834, 2017.

4 M. Rajwade, M. B. Mickaliger, B. W. Stappers, V. Morello, D. Agarwal, C. G. Bassa, R. P. Breton, M. Caleb, A. Karastergiou, E. F. Keane e D. R. Lorimer, “Possible periodic activity in the repeating FRB 121102”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 495, 3551-3558, 2020.

5 B. Marcote, K. Nimmo, […] A. V. Zwaniga, “A repeating fast radio burst source localized to a nearby spiral galaxy”, Nature volume 577, pages190–194, 2020.

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