Il telescopio spaziale Fermi della NASA, dedicato ai raggi gamma, potrebbe aver finalmente svelato cosa alimenta alcune delle esplosioni stellari più brillanti mai osservate. Dopo aver studiato anni di dati, un team di ricerca internazionale ha trovato prove concrete che una rara supernova superluminosa sia stata alimentata da una stella di neutroni estremamente magnetica formatasi durante il collasso della stella stessa.
La missione Fermi fa parte della rete di osservatori della NASA progettata per monitorare i cambiamenti in atto nell’universo e aiutare gli scienziati a comprendere meglio il funzionamento dei fenomeni cosmici.
“Per quasi 20 anni, gli astronomi hanno analizzato i dati di Fermi alla ricerca di segnali di raggi gamma provenienti da migliaia di supernove e, sebbene siano stati riportati alcuni indizi interessanti, nessuno era definitivo fino ad ora”, ha affermato Fabio Acero, responsabile dello studio presso il Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica (CNRS) e l’Università di Parigi-Saclay.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Astronomy & Astrophysics .
Una rara supernova emette potenti raggi gamma
Le supernove a collasso del nucleo si verificano quando una stella massiccia esaurisce il combustibile necessario a sostenere il proprio nucleo. Senza questa fonte di energia, il nucleo collassa per effetto della gravità, innescando una violenta esplosione. A seconda delle condizioni, il collasso può lasciare dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero. Il resto della stella viene espulso nello spazio sotto forma di una nube in espansione di gas estremamente caldo.
Negli ultimi due decenni, gli astronomi hanno identificato quasi 400 esempi insolitamente potenti, noti come supernove superluminose. Queste rare esplosioni possono brillare almeno 10 volte di più nella luce visibile rispetto alle normali supernove.
Nel 2024, i ricercatori guidati da Li Shang dell’Università di Anhui a Hefei, in Cina, hanno ipotizzato che il Large Area Telescope di Fermi potrebbe aver rilevato raggi gamma provenienti da uno di questi eventi anni dopo l’esplosione.
L’oggetto, denominato SN 2017egm, è esploso nella galassia NGC 3191, a circa 440 milioni di anni luce di distanza, nella costellazione dell’Orsa Maggiore. Anche da una distanza così enorme, rimane una delle supernove superluminose più vicine mai osservate dalla Terra.
“Abbiamo cercato raggi gamma provenienti dalle sei supernove superluminose più vicine osservate durante i primi 16 anni della missione Fermi”, ha affermato Guillem Martí-Devesa, ricercatore precedentemente presso l’Università di Trieste e ora membro dell’Istituto di Scienze Spaziali di Barcellona. “Solo SN 2017egm mostra evidenze di raggi gamma, confermando precedenti indizi secondo cui alcune supernove possono essere luminose nei raggi gamma tanto quanto lo sono nella luce visibile. Questo apre una nuova finestra per lo studio di questi affascinanti eventi.”
Le magnetar potrebbero essere il motore nascosto
Gli scienziati dibattono da tempo su cosa conferisca alle supernove superluminose la loro straordinaria brillantezza. Una delle principali spiegazioni riguarda le magnetar, stelle di neutroni con i campi magnetici più intensi conosciuti nell’universo. I loro campi magnetici possono essere fino a 1.000 volte più forti di quelli delle normali stelle di neutroni, raggiungendo intensità circa 10 trilioni di volte superiori a quella di un magnete da frigorifero.
Per approfondire l’indagine, il team ha esaminato attentamente sia i segnali di luce visibile che quelli di raggi gamma provenienti da SN 2017egm e ha confrontato le osservazioni con diversi modelli teorici.
Un modello creato dai coautori Indrek Vurm dell’Università di Tartu in Estonia e Brian Metzger della Columbia University di New York ha simulato il movimento delle radiazioni e delle particelle provenienti da una magnetar appena nata attraverso i detriti di una supernova in espansione.
I ricercatori ritengono che una magnetar appena formatasi possa ruotare diverse centinaia di volte al secondo. Questa incredibile velocità genera un potente flusso di elettroni e positroni, che sono le antimateria degli elettroni. Insieme, queste particelle creano un’enorme nube di materiale ad alta energia chiamata nebulosa del vento della magnetar.
All’interno di questa nebulosa, le interazioni tra particelle possono generare raggi gamma in diversi modi. Elettroni e positroni possono collidere e trasformarsi in fotoni gamma, mentre i raggi gamma stessi possono collidere e creare nuove particelle. Man mano che queste interazioni continuano, gran parte dell’energia dei raggi gamma rimane intrappolata all’interno dei detriti della supernova e viene convertita in luce visibile a energia inferiore, contribuendo a rendere l’esplosione eccezionalmente brillante.
I raggi gamma sfuggono mesi dopo
“Circa tre mesi dopo il collasso, con l’espansione e il raffreddamento dei detriti della supernova, i raggi gamma possono iniziare a fuoriuscire”, ha affermato Acero. “Questo modello di magnetar riproduce al meglio la luminosità della supernova e il tempo di arrivo dei suoi raggi gamma durante i primi mesi, ma riteniamo che ci sia margine di miglioramento in fasi successive, quando la luce visibile si affievolisce in modo piuttosto irregolare.”
I ricercatori ipotizzano che ulteriori processi abbiano probabilmente influenzato la supernova durante il suo lungo declino di luminosità. Tra questi, potrebbero esserci materiali che ricadono verso la magnetar e collisioni tra l’onda d’urto in espansione e la materia espulsa dalla stella secoli prima della sua esplosione.
Il team ha anche esplorato la possibilità che futuri osservatori possano rilevare eventi simili. Hanno scoperto che il futuro Osservatorio Cerenkov Telescope Array dovrebbe essere in grado di individuare supernove come SN 2017egm da distanze fino a circa 500 milioni di anni luce con circa 50 ore di tempo di osservazione.
Gli scienziati affermano che la futura cooperazione tra gli osservatori terrestri e i telescopi spaziali della NASA contribuirà a svelare ancora di più su queste violente esplosioni stellari e sugli oggetti estremi nascosti al loro interno.
“Il meccanismo del motore centrale della magnetar discusso in questo articolo si basa su numerosi progressi osservativi e teorici compiuti negli ultimi 20 anni nello studio delle magnetar”, ha affermato Judy Racusin, vice responsabile scientifica della missione Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “L’osservazione dei raggi gamma provenienti dalle supernove ci fornirà un nuovo modo per esplorare i loro meccanismi interni.”
Abstract
Contesto. Le supernove superluminose (SLSNe) sono una rara classe di transienti con luminosità di picco da 10 a 100 volte superiori a quelle delle supernove a collasso del nucleo (SN) standard. I meccanismi che alimentano la loro estrema luminosità sono ancora oggetto di dibattito, con l’interazione con il mezzo circumstellare (CSM) o l’iniezione di energia da un motore centrale come una nebulosa a vento di magnetar che rappresentano gli scenari più plausibili. Sebbene le proprietà ottiche delle SLSNe siano ampiamente studiate, le loro firme di raggi gamma rimangono poco definite.
Obiettivi. Per vincolare ulteriormente il meccanismo sottostante, abbiamo condotto una ricerca sistematica di emissione di raggi gamma nell’ordine dei giga-elettronvolt utilizzando il telescopio Fermi Large Area Telescope (LAT) da un campione di supernove a bassa energia (tipo I) e ad alta energia (tipo II) vicine, negli ultimi 16 anni. Il nostro obiettivo è quello di testare le previsioni dei modelli CSM e magnetar e di valutare le prospettive di future rilevazioni con il Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).
Metodi. Per i sei bersagli di questo campione, abbiamo studiato la variabilità temporale di un presunto segnale di raggi γ nella posizione ottica della SLSN su una scala temporale di sei mesi e, nel caso di SN 2017egm, abbiamo ulteriormente studiato la variabilità a intervalli di 15 giorni e applicato un algoritmo a blocchi bayesiano per caratterizzare la variabilità temporale del segnale. Abbiamo quindi confrontato l’evoluzione temporale e le proprietà spettrali con le previsioni di un modello di interazione tra magnetar e mezzo circumstellare.
Risultati. Tra il campione, solo SN 2017egm mostra un’emissione di raggi γ significativa , con valori della statistica del test di verosimiglianza (TS) di 26–33 (ovvero, > 5 σ ) a seconda della finestra temporale adottata. Il segnale si manifesta tra 50 e 160 giorni dopo l’esplosione ed è ben descritto da uno spettro di legge di potenza con indice Γ = 2,17 ± 0,23. L’emissione è coerente sia in termini di curva di luce che di spettro, con le previsioni dei modelli di magnetar che richiedono una bassa magnetizzazione nebulare o un rallentamento dello spin più rapido delle perdite di dipolo. Lo scenario di interazione del guscio CSM può riprodurre il livello di flusso osservato ma non la tempistica osservata del segnale di raggi γ . Inoltre, il rapporto osservato, L γ / L opt ∼ 1, è incoerente con le aspettative teoriche e non in linea con le misurazioni del rapporto in altri oggetti interagenti dominati da CSM (ad esempio, novae o SN) dove questo rapporto è inferiore a 10 −2 .
Conclusioni. Il nostro studio suggerisce fortemente che un motore centrale come una magnetar svolga un ruolo chiave in questa SLSN e potrebbe spiegare la maggior parte delle proprietà delle curve di luce ottiche e gamma . Per spiegare i picchi osservati a tempi tardivi nella curva di luce ottica di SN 2017egm, abbiamo bisogno di: un modello ibrido che combini magnetar e più gusci di mezzo circumstellare per i picchi ottici oppure un modello di magnetar puro con materia in caduta su un disco di accrescimento. Infine, le simulazioni di 50 ore di osservazioni CTAO indicano che un evento simile a SN 2017egm sarebbe rilevabile fino a ∼140 Mpc nel modello magnetar ma non nel modello CSM a causa del forte γ − γ . assorbimento
Materiale fornito dal Goddard Space Flight Center della NASA . Articolo originale di Francis Reddy. Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Gamma-ray signature of superluminous supernovae: Fermi-LAT GeV detection of SN 2017egm and evidence of a central engine. Astronomy, 2026; 709: A229 DOI: 10.1051/0004-6361/202558547
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