Fenomeni Sorprendenti Osservati dalla NASA attraverso il NuSTAR nell'Esplosione Cosmica più Luminosa Mai Rilevata.

Gli astronomi pensano che GRB 221009A rappresenti la nascita di un nuovo buco nero formato all'interno del cuore di una stella in collasso. In questa illustrazione, il buco nero genera potenti getti di particelle che viaggiano vicino alla velocità della luce. I getti penetrano nella stella, emettendo raggi X e gamma mentre si riversano nello spazio. Crediti: NASA/Swift/Cruz deWilde

Le osservazioni del telescopio a raggi X NuSTAR della NASA offrono agli astronomi nuove informazioni circa il bagliore più luminoso ed energetico mai rilevato di un lampo gamma.

Gli scienziati hanno rilevato il lampo gamma più luminoso di tutti, chiamato GRB 221009A o BOAT, nell'ottobre del 2022. A differenza dei precedenti lampi gamma, GRB 221009A aveva una struttura di getto unica con un nucleo stretto, lati più ampi e una varianza di energia a seconda della distanza dal nucleo. I fenomeni senza precedenti osservati nell'esplosione sono stati documentati dal telescopio NuSTAR della NASA e da vari telescopi a raggi X.

Quando gli scienziati rilevarono il lampo gamma noto come GRB 221009A il 9 ottobre 2022, lo chiamarono il più luminoso di tutti i tempi, o BOAT. La maggior parte dei lampi gamma si verificano quando il nucleo di una stella più massiccia del nostro Sole collassa, diventando un buco nero. Questi eventi rilasciano regolarmente tanta energia in pochi minuti quanto il nostro Sole rilascerà per tutta la sua vita. Studi successivi hanno dimostrato che GRB 221009A era 70 volte più luminoso e molto più energetico del precedente titolare del record. Sebbene gli scienziati non capiscano ancora il motivo, hanno ricevuto un indizio intrigante dal telescopio NuSTAR (Array Spettroscopico Nucleare) della NASA.

Un getto di particelle perfora una stella mentre questa collassa in un buco nero durante un tipico lampo gamma, come rappresentato in questo concetto artistico. Il getto creato dal lampo gamma 221009A aveva alcune caratteristiche uniche. Crediti: NASA Goddard Space Flight Center

In uno studio pubblicato il 7 giugno sulla rivista Science Advances, gli scienziati hanno utilizzato le osservazioni del NuSTAR dell'evento per mostrare come la stella in collasso abbia espulso un getto di materiale che aveva una forma non precedentemente osservata tra i getti di lampi gamma, nonché altre caratteristiche uniche. È possibile che la fonte di queste distinzioni sia la stella progenitrice, le cui proprietà fisiche potrebbero influenzare le caratteristiche dell'esplosione. È anche possibile che un meccanismo completamente diverso lanci i getti più luminosi nello spazio.

Il tipo di esplosione più energetico dell'universo, un lampo gamma, può essere avvistato a miliardi di anni luce di distanza. GRB 221009A era così luminoso da accecare efficacemente la maggior parte degli strumenti di rilevamento dei lampi gamma nello spazio quando fu scoperto il 9 ottobre 2022. Crediti: NASA's Goddard Space Flight Center

"Questo evento era così più luminoso e più energetico di qualsiasi lampo gamma visto in precedenza, che nemmeno si può paragonare", ha detto Brendan O'Connor, autore principale del nuovo studio e astronomo presso la George Washington University a Washington. "Poi, quando abbiamo analizzato i dati del NuSTAR, ci siamo resi conto che ha anche questa struttura di getto unica. Ed è stato davvero entusiasmante, perché non abbiamo modo di studiare la stella che ha prodotto questo evento; è sparita ora. Ma ora abbiamo alcuni dati che ci danno indizi su come è esplosa".

I raggi gamma sono la forma di luce più energetica dell'universo ma invisibili all'occhio umano. Tutti i lampi gamma conosciuti sono originati in galassie al di fuori della nostra Via Lattea ma sono sufficientemente luminosi da poter essere avvistati a miliardi di anni luce di distanza. Alcuni lampeggiano in esistenza per meno di due secondi, mentre i cosiddetti lampi gamma lunghi irradiano di solito raggi gamma per un minuto o più. Questi oggetti possono irradiare altre lunghezze d'onda per settimane.

Il telescopio spaziale Hubble ha catturato la traccia residua nell'infrarosso (cerchiata) del lampo gamma noto come GRB 221009A e la sua galassia ospite. Questa immagine in composito incorpora immagini scattate l'8 novembre e il 4 dicembre 2022, circa uno e due mesi dopo l'eruzione. La traccia residua può rimanere rilevabile per diversi anni. Crediti: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Università di Radboud); Elaborazione immagini: Gladys Kober

GRB 221009A, un lampo gamma lungo, era così luminoso da accecare efficacemente la maggior parte degli strumenti di rilevamento dei raggi gamma nello spazio. Gli scienziati americani sono stati in grado di ricostruire questo evento con i dati del telescopio spaziale Fermi Gamma-ray della NASA per determinare la sua effettiva luminosità. (Il BOAT è stato anche rilevato dai telescopi spaziali Hubble e James Webb della NASA, dalle sonde spaziali Wind e Voyager 1 dell'agenzia, nonché dal Solar Orbiter dell'Agenzia Spaziale Europea).

Similar to other gamma-ray bursts, GRB 221009A had a jet that erupted from the collapsing star like it was shot into space from a fire hose, with gamma rays radiating from the hot gas and particles at the jet’s core. But GRB 221009A’s jet stood out in a few ways. In just about every previously observed gamma-ray burst, the jet remained remarkably compact and there was little to no stray light or material outside the narrow beam. (In fact, gamma-ray bursts are so compact, the gamma rays can only be observed when their jets are pointed almost directly at Earth.)

The Fermi Gamma-ray Space Telescope observes the cosmos using the highest-energy form of light, providing an important window into the most extreme phenomena of the universe, from gamma-ray bursts and black-hole jets to pulsars, supernova remnants, and the origin of cosmic rays. Credit: © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

By contrast, in GRB 221009A the jet had a narrow core with wider, sloping sides. Some of the most energetic gamma-ray jets have shown similar properties, but the jet from the BOAT was unique in one important way: The energy of the material in GRB 221009A also varied, meaning that instead of all the material in the jet having the same energy – like a single bullet shot from a gun – the energy of the of the material changed with distance from the jet’s core. This has never been observed in a long gamma-ray burst jet before.

“The only way to produce a different jet structure and vary the energy is to vary some property of the star that exploded, like its size, mass, density, or magnetic field,” said Eleonora Troja, a professor of physics at the University of Rome, who led NuSTAR the observations of the event. “That’s because the jet has to basically force its way out of the star. So, for example, the amount of resistance it meets would potentially influence the features of the jet.”

Artist’s concept of NuSTAR on orbit. Credit: NASA/JPL-Caltech

Astronomers can see the light from gamma-ray jets, but the distance means they can’t resolve images of the jets directly. Researchers have to interpret the light from these events to learn about the physical characteristics of faraway objects. It’s sort of like looking at footprints in the snow and inferring something about the physical traits of the person who left them.

In many cases, there may be more than one possible explanation for the light from a cosmic event. More than one X-ray telescope observed GRB 221009A, including NASA’s Neil Gehrels Swift Observatory and Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), as well as ESA’s XMM-Newton telescope. The NuSTAR data helped narrow down those possibilities. It shows that as the jet traveled into space, it collided with the interstellar medium, or the sparse sea of atoms and particles that fills the space between stars. This collision created X-rays – particles of light slightly less energetic than gamma rays.

“There are multiple X-ray telescopes operating in space, each with different strengths that can help astronomers understand these cosmic objects better,” said Daniel Stern, NuSTAR project scientist at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California.

Reference: “A structured jet explains the extreme GRB 221009A” by Brendan O’Connor, Eleonora Troja, Geoffrey Ryan, Paz Beniamini, Hendrik van Eerten, Jonathan Granot, Simone Dichiara, Roberto Ricci, Vladimir Lipunov, James H. Gillanders, Ramandeep Gill, Michael Moss, Shreya Anand, Igor Andreoni, Rosa L. Becerra, David A. H. Buckley, Nathaniel R. Butler, Stephen B. Cenko, Aristarkh Chasovnikov, Joseph Durbak, Carlos Francile, Erica Hammerstein, Alexander J. van der Horst, Mansi M. Kasliwal, Chryssa Kouveliotou, Alexander S. Kutyrev, William H. Lee, Gokul P. Srinivasaragavan, Vladislav Topolev, Alan M. Watson, Yuhan Yang and Kirill Zhirkov, 7 June 2023, Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adi1405

More About the Mission

A Small Explorer mission led by Caltech and managed by the Jet Propulsion Laboratory (JPL) for NASA’s Science Mission Directorate in Washington, NuSTAR was developed in partnership with the Danish Technical University and the Italian Space Agency (ASI). The spacecraft was built by Orbital Sciences Corp. in Dulles, Virginia. NuSTAR’s mission operations center is at the University of California, Berkeley, and the official data archive is at NASA’s High Energy Astrophysics Science Archive Research Center at the agency’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. ASI provides the mission’s ground station and a mirror data archive. Caltech manages JPL for NASA.