Luce invisibile dalle collisioni cosmiche nell’universo profondo

L’universo visibile rappresenta soltanto una minima frazione della realtà fisica che ci circonda. Per decenni, l’astronomia ha osservato i fenomeni più violenti del cosmo attraverso la lente dei lampi di raggi gamma brevi, imponenti esplosioni prodotte dalla fusione di stelle di neutroni o oggetti compatti. Tuttavia, un nuovo studio pubblicato sulla rivista scientifica Science Bulletin ha rivelato l’esistenza di una fase energetica rimasta a lungo nascosta.

Grazie al satellite Einstein Probe, noto anche come Tianguan, gli astrofisici hanno catturato un’emissione prolungata di raggi X molli della durata di circa dieci minuti, emessa subito dopo una collisione cosmica (evento catalogato come EP250704a o GRB 250704B). Fino ad oggi si riteneva che questi cataclismi esaurissero la loro emissione primaria in meno di due secondi. Questa scoperta dimostra che la fine del lampo gamma rappresenta soltanto l’inizio di una dinamica cosmica ben più complessa e ricca di energia.

Come la collisione di oggetti compatti genera energia estrema

Per comprendere la portata di questo fenomeno, occorre immergersi nella natura delle stelle di neutroni. Quando una stella massiccia esaurisce il proprio combustibile nucleare ed esplode come supernova, il suo nucleo crolla sotto il proprio peso. La materia si comprime a livelli tali che gli elettroni e i protoni si fondono, creando una sfera incredibilmente densa composta quasi interamente da neutroni. Una sola goccia di questa materia peserebbe centinaia di milioni di tonnellate sulla Terra.

Quando due stelle di neutroni o una stella di neutroni e un buco nero orbitano l’una attorno all’altra in un sistema binario, perdono gradualmente energia sotto forma di onde gravitazionali. Questo processo le spinge a spiraleggiare l’una verso l’altra fino al momento dell’impatto. L’impatto genera una potenza inimmaginabile, capace di deformare la struttura dello spazio-tempo e di lanciare nello spazio getti di materia alla velocità della luce.

Perché i telescopi tradizionali non hanno visto l’emissione X prolungata

Per molto tempo gli strumenti di rilevazione spaziale hanno sofferto di un limite strutturale significativo. I telescopi per raggi gamma coprono ampie porzioni di cielo ma sono sensibili solo alle frequenze energetiche più alte e rigide. Al contrario, i tradizionali telescopi per raggi X possiedono un campo visivo molto ristretto, simile a un microscopio punta sul cielo.

Nel modello di osservazione classico, il telescopio a raggi X attendeva un segnale di allarme dal rilevatore di raggi gamma, per poi ruotare lentamente la propria strumentazione verso la sorgente. Durante questo intervallo di tempo, i primissimi minuti dell’evento andavano immancabilmente perduti. L’innovazione tecnologica apportata da Einstein Probe, lanciato all’inizio del 2024, consiste nell’impiego di ottiche grandangolari a occhio di aragosta, capaci di monitorare ampie zone di cielo e registrare istantaneamente la radiazione X molle nel momento preciso in cui si manifesta.

Come la scoperta del segnale EP250704a cambia la fisica astrofisica

Il 4 luglio 2025, i sensori a bordo di Einstein Probe e dei satelliti SVOM e Insight-HXMT hanno intercettato l’evento EP250704a. La componente in raggi gamma, estremamente rapida, è durata meno di mezzo secondo (circa 0,4 secondi), confermando la firma classica di un lampo breve. Tuttavia, i dati rilevati dallo strumento a raggi X molli EP-WXT hanno mostrato che la radiazione non si è spenta affatto.

Al posto del silenzio, il satellite ha registrato un’emissione di raggi X molli continuativa e strutturata in diverse fasi, protrattasi per quasi dieci minuti. Questa componente energetica, pur trasportando un quantitativo d’energia paragonabile a quello del lampo primario, si collocava a frequenze più basse, risultando completamente invisibile ai tradizionali sensori di raggi gamma come il Burst Alert Telescope a bordo del satellite Swift. Ciò suggerisce che moltissimi lampi brevi analizzati nel passato nascondessero in realtà una coda energetica inaspettata.

Perché il motore centrale dell’esplosione continua a spingere materia

La presenza di un flusso di raggi X molli prolungato per diversi minuti richiede una spiegazione teorica ben precisa. La fusione di due oggetti compatti non crea necessariamente un buco nero immediato. In molti casi, dall’unione delle due masse nasce un’unica stella di neutroni ipermassiccia dotata di un campo magnetico gigantesco e di una rotazione velocissima, definita magnetar.

Questa magnetar superdense agisce come un motore centrale ancora attivo. Ruotando su se stessa migliaia di volte al secondo, trasferisce la propria energia rotazionale al materiale circostante tramite venti relativistici e potenti campi magnetici. Tale processo continua ad alimentare l’emissione di fotoni X molto tempo dopo che la prima scossa di raggi gamma ha attraversato lo spazio, svelando un meccanismo di alimentazione energetica ben più duraturo di quanto ipotizzato dai modelli teorici precedenti.

Come la caccia astronomica moderna unisce luce e onde gravitazionali

La scoperta dell’emissione X prolungata apre prospettive fondamentali per l’astronomia multimessaggera. Questo approccio moderno alla scienza spaziale non si limita a raccogliere la luce sotto forma di radiazione elettromagnetica, ma combina contemporaneamente segnali di natura diversa, come i neutroni, i neutrini e le onde gravitazionali.

Identificare la presenza di raggi X molli nelle primissime fasi di una fusione stellare offre agli scienziati un’impronta digitale preziosa per localizzare con estrema precisione le sorgenti di onde gravitazionali catturate dagli interferometri terrestri come LIGO, Virgo e KAGRA. La combinazione di questi dati permetterà di calcolare con accuratezza mai vista prima la velocità di espansione dell’universo, la densità della materia nucleare e la distribuzione degli elementi chimici pesanti, come oro e platino, sintetizzati durante questi impatti cosmici.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Le fusioni di oggetti compatti sono sorgenti multimessaggero e progenitori noti di alcuni lampi gamma, brillanti lampi di radiazione ad alta energia alimentati da un motore centrale, ovvero un buco nero in accrescimento o una stella di neutroni. La nostra comprensione di questi eventi è stata finora plasmata principalmente da osservazioni nella banda dei raggi gamma, lasciando la loro fase immediata scarsamente vincolata a energie inferiori. Un lampo di lunga durata ( ≈L’emissione di raggi X guidata dal motore (100 s) è stata discussa per spiegare i bagliori residui di raggi X che svaniscono rapidamente dopo diversi ( ≈30%) raffiche di brevi ( ≲durata di 2 s). Tuttavia, questa componente rapida dei raggi X non è stata osservata direttamente e i candidati precedenti non sono stati confermati. Qui riportiamo la scoperta di EP250704a contenente un componente di durata di minuti ( ∼560 s) lampo di raggi X molli (0,5–4 keV) immediatamente dopo il breve ( ∼0,4 s) GRB 250704B. La variabilità e la forma spettrale di questa emissione sono incoerenti con il quadro canonico di un picco duro, alimentato dall’accrescimento, seguito da un bagliore residuo da shock esterno standard. Invece, il lungo picco molle indica una fase distinta di emissione immediata nei raggi X, che non sarebbe stata rilevata senza la copertura nei raggi X molli della sonda Einstein. Il rilevamento di una controparte immediata nei raggi X molli in un GRB breve altrimenti ordinario dimostra che l’emissione di raggi X di lunga durata è probabilmente una caratteristica comune dei burst guidati dalla fusione e una promettente controparte elettromagnetica delle sorgenti di onde gravitazionali.

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