Fast Radio Bursts

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Fast Radio Burst (FRB) o lampo radio veloce, è un fenomeno astrofisico di alta energia di origine sconosciuta, che si manifesta come impulso radio transitorio che dura solo pochi millesimi di secondo, mostrando una dispersione dipendente dalla frequenza, coerente con la propagazione attraverso un plasma ionizzato.
L’origine degli FRB non è nota: sono generalmente ritenuti extragalattici a causa dell’ anomala elevata quantità di dispersione impulso osservata.

Nel 2007, Duncan Lorimer e colleghi annunciarono  la scoperta da dati di archivio del 24 luglio 2001, ottenuti con il radiotelescopio dell’osservatorio di Parkes, di un lampo radio di forte intensità, dalla durata inferiore a 5 millisecondi, proveniente da una regione del cielo vicino alla Piccola Nube di Magellano, che non poteva essere ignorato. All’epoca, molti astronomi definirono queste esplosioni apparentemente casuali come poco più di un errore. Gli astronomi hanno visto da allora 25 FRB, tutti brevi segnali radio, che durano non più di pochi millesimi di secondo. Sembrano provenire da sorgenti oltre la nostra galassia. Alcuni durano più a lungo di altri e la luce di alcuni è polarizzata.

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Questa illustrazione mostra come due fotoni, uno ad alta frequenza (blu) e un altro a bassa frequenza (gialla), percorrono nello spazio-tempo dalla loro origine in una distante sorgente di FRB fino a raggiungere la Terra. Una stima del limite inferiore della tensione gravitazionale che i fotoni sperimentano lungo la loro strada è data dalla massa al centro della galassia della via lattea. Credito: Accademia cinese delle scienze

Si tratta di lampi molto luminosi nella banda radio, non risolti, a banda larga, provenienti da regioni del cielo esterne alla Via Lattea. Le componenti in frequenza di ciascun lampo presentano un ritardo, legato alla lunghezza d’onda, che permette di esprimere una misura della dispersione. I valori ottenuti per i lampi osservati sono tali da escludere che le loro sorgenti appartengano alla Via Lattea, mentre sono coerenti con una propagazione attraverso un plasma ionizzato. A differenza di molte sorgenti radio, il segnale proveniente da uno scoppio viene rilevato in un breve periodo di tempo con sufficiente forza per distinguersi dal rumore di fondo. L’esplosione di solito appare come un singolo picco di energia senza alcun cambiamento nella sua forza nel tempo. Le esplosioni provengono da tutto il cielo e non sono concentrate sul piano della Via Lattea.

L’osservazione nel 2012 di FRB 121102, in direzione di Auriga nell’emisfero nord usando il radio telescopio di Arecibo ha confermato l’origine extragalattica dei lampi radio veloci con un effetto noto come dispersione plasmaticaNel 2013 sono stati identificati quattro esplosioni che sostengono la probabilità di sorgenti extragalattiche. FRB 140514  è risultato essere del 21% (+/- 7%) circolarmente polarizzato .  Nel 2015 FRB 110523 è stato scoperto in dati archiviati dal Green Bank Telescope, il primo FRB di cui è stata rilevata la polarizzazione lineare – consentendo una misurazione della rotazione di Faraday. La misurazione del ritardo di dispersione del segnale ha suggerito che questa esplosione sia di origine extragalattica, probabilmente fino a 6 miliardi di anni luce.

Il profilo di intensità della trasmissione di FRB, mostrando quanto rapidamente si è evoluto nel tempo, durando solo pochi millisecondi. Prima e dopo l’esplosione, è stato rilevato solo il rumore del cielo. Credito immagine: Produzioni di Astronomy Swinburne

A causa della natura isolata dei fenomeni osservati, la natura della sorgente rimane speculativa. Una possibile spiegazione potrebbe essere la collisione tra oggetti molto densi come fusione di buchi neri o stelle di neutroni. È stato anche suggerito che vi sia una connessione con gamma ray bursts ( GRB ) . Nel 2007, subito dopo la pubblicazione dell’ e-print con la prima scoperta di Lorimer, si è proposto che i lampi radio veloci possano essere correlati a hyperflares di magnetar . Nel 2015 tre studi hanno sostenuto l’ipotesi di magnetar. Nel 2013 sono stati proposti blizars come una possibile spiegazione. Nel 2014 è stato suggerito che dopo il collasso di pulsar causato da materia oscura, l’espulsione risultante delle magnetosfere delle stesse potrebbero essere la sorgente di FRB. Nel 2016 viene proposto il collasso delle magnetosfere di buchi neri di Kerr-Newman per spiegare l’origine di ‘afterglow’ di FRB e dei deboli raggi gamma transitori 0,4 s dopo GW 150914. E’ stato anche proposto che se FRB provenissero da esplosioni di buchi neri, sarebbero la prima rivelazione di effetti di gravità quantistica.

Sono passati solo 10 anni dalla prima rivelazione, e la ricerca si è sviluppata a tal punto che FRB sono ora accettati come una vera e propria classe di segnali celesti, generando un proprio campo di ricerca. Infatti  nel 2016 c’è stato il primo grande convegno sul tema FRB, ad Aspen in Colorado, dove 80 astrofisici hanno ‘messo a fuoco’ il campo; i dibattiti si sono incentrati su come sradicare le bias di rilevamento e coordinare le osservazioni e su ciò che si può imparare studiando modelli nella popolazione FRB esistente.

UN CASO PARTICOLARE

FRB 121102, è unico nel suo comportamento: è l’unico di questi lampi che si ripete. I molti flash osservati da FRB 121102 hanno permesso per la prima volta di seguire l’esplosione e la caccia alla sua posizione.

All’inizio di quest’anno l’annuncio che la galassia ospitante di FRB 121102 è stata identificata: una galassia nana situata a redshift z = 0.193 (circa 3 miliardi di anni luce dopo il big bang). Ora un team di scienziati guidato da Cees Bassa (ASTRON, Istituto olandese per radio astronomia) ha eseguito ulteriori follow-up per saperne di più su questa galassia ospite e ciò che potrebbe causare i misteriosi lampi.
Bassa e collaboratori hanno utilizzato il telescopio spaziale Hubble, lo Spitzer Space Telecsope e il Gemini North telecsope nelle Hawaii per ottenere osservazioni ottiche, a infrarossi e a medio infrarossi della galassia che ospita FRB 121102.

I ricercatori hanno stabilito che la galassia è una nana, irregolare e a bassa metallicità, rivelando una brillante regione di formazione stellare di circa 4.000 anni luce nell’area della periferia della galassia. Curiosamente, la sorgente radiale persistente associata a FRB 121102 cade direttamente dentro quel nodo di formazione stellare.

Bassa e collaboratori hanno anche scoperto che le proprietà della galassia ospite sono coerenti con quelle di un tipo di galassia conosciute come ‘extreme emission-line galaxies’. Questo fornisce un indizio allettante, in quanto esse sono note per ospitare long gamma-ray bursts e supernovae superluminose povere di idrogeno.

Cosa può dirci ciò sulla sorgente di FRB 121102? Il fatto che questo burst si ripeta già elimina eventi cataclisma come origine. Ma la posizione proiettata di FRB 121102 all’interno di una regione di formazione stellare – specialmente in una galassia ospitante simile a quella che ospita tipicamente supernova superluminose e proiezioni di raggi gamma lunghi – suggerisce fortemente che esista una relazione tra tali eventi.

frb 121102 galassia ospite foto gemini
Galassia ospite di FRB 121102 – Foto GEMINI

Gli autori propongono che questa coincidenza osservata, supportata da modelli di nascita di stelle di neutroni magnetizzate, indichi un legame evolutivo tra i lampi radio veloci e le stelle di neutroni. Questo quadro potrebbe suggerire un legame evolutivo, in cui le fonti di eventi FRB sono nati ai tempi di Long- gamma ray burst e SLSN-I, con FRBs provenienti da stelle di neutroni giovani o magnetar derivanti da queste esplosioni.

Questo quadro può anche spiegare la causa di fast radio bursts – ma Bassa e collaboratori avvertono che è anche possibile che questo modello si applichi solo a FRB 121102. Poiché FRB 121102 è univoco nell’essere l’unico lampo radio scoperto che si ripete, la sua causa può anche essere unica . Gli autori suggeriscono che le ricerche mirate di regioni di formazione stellare in galassie simili a quella dell’FRB 121102 potrebbero rivelare altri candidati ripetitivi, che ci aiutano a svelare il mistero in corso.

CUTTING BIAS

Alla riunione, alcuni astronomi hanno proposto di invertire la strategia di ricerca e di cercare FRB in galassie altrettanto strane, oltre a cercare di individuare l’origine di singoli lampi quando si verificano. Cio’ ha prodotto un acceso dibattito. Un problema importante è come evitare le tensioni. Il fatto che siano stati scoperti da scienziati che cercano pulsar – piccole e dense stelle di neutroni rotanti – potrebbe offuscare la generazione delle teorie su FRB: gli astronomi potrebbero essere attratti da modelli che coinvolgono oggetti simili alle pulsar. La polarizzazione di rilevazione è anche in parte un problema, poiché molte ricerche FRB sono supportate da quelle ottimizzate per trovare fonti all’interno della Via Lattea che si ripetono regolarmente, anziché eventi sporadici extragalattici. Più gli astronomi guardano, più trovano FRB in luoghi imprevisti e con caratteristiche insolite.

Per assicurare che gli astronomi vedano un campione rappresentativo, bisogna cercare segnali in un’ampia gamma di frequenze, si dovrebbe inoltre prestare maggiore attenzione alla polarizzazione della luce FRB, che può fornire indizi sull’ambiente della fonte.

Circa 30 telescopi sono alla ricerca di FRB, e le ricerche dedicate sono in aumento. Grande eccitazione per il Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) , un radio telescopio in Canada che dovrebbe iniziare la caccia di FRB entro la fine dell’anno e potrebbe vederne fino ad una dozzina al giorno. Le osservazioni saranno ottimizzate e coordinate nel pianificare gli sforzi per rilasciare i risultati FRB in tempo reale per il follow-up da altri telescopi, come è stato già fatto per segnali astronomici fugaci.

Anche se FRB rimangono un mistero, il campo è progredito da quando Lorimer ha identificato il primo lampo. Il fatto che la comunità adesso accetti, ad esempio, che i bursts siano extragalattici è un grande passo avanti. La moglie di Lorimer, astrofisica dell’Università della West Virginia Maura McLaughlin, inizialmente dubitava che lo fossero.

“La comunità è stata nettamente divisa a sufficienza, anche nella nostra famiglia. Da allora le cose sono cambiate. ” (Lorimer, Aspen Colorado, 2015)

Riferimenti:

[A Bright Millisecond Radio Burst of Extragalactic Origin – Lorimer et al. 2007]

[A repeating fast radio bursts – Spitler, LG et al 2016] Nature 531 , 202 – 205 ( 2016 ).

[A direct localization of a fast radio burst and its host – Chatterjee, S. et al – 2017] Nature 541 , 58 – 61 ( 2017 )

[FRB 121102 Is Coincident with a Star-forming Region in Its Host Galaxy – Bassa et al. 2017]

 

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

 

 

 

 

 

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