Nel 1967, gli scienziati della NASA notarono qualcosa che non avevano mai visto prima provenire dallo spazio profondo. In quello che è diventato noto come "Vela Incident", più satelliti hanno registrato un Gamma-Ray Burst (GRB) che era così luminoso, che ha brevemente superato l'intera galassia. Dato il loro straordinario potere e la natura di breve durata, gli astronomi sono stati ansiosi di determinare come e perché avvengono queste esplosioni.
Decenni di osservazione hanno portato alla conclusione che queste esplosioni si verificano quando una stella massiccia diventa supernova, ma gli astronomi non erano ancora sicuri del perché sia accaduto in alcuni casi e non in altri. Grazie alle nuove ricerche condotte da un team dell'Università di Warwick, sembra che la chiave per produrre GRB risieda nei sistemi binari di stelle, vale a dire che una stella ha bisogno di un compagno per produrre l'esplosione più luminosa dell'Universo.
Il team di ricerca responsabile della scoperta è stato guidato da Ashley Chrimes - un dottorato di ricerca. studente presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick. Per motivi di studio, il team ha affrontato il mistero centrale dei GRB di lunga durata, ovvero come le stelle possono essere lanciate abbastanza velocemente da generare il tipo di esplosioni che sono state osservate.
Per dirla in breve, i GRB si verificano quando stelle massicce (circa dieci volte più grandi del nostro Sole) diventano supernova e collassano in una stella di neutroni o in un buco nero. Nel processo, gli strati esterni della stella vengono spazzati via e il materiale espulso si appiattisce in un disco attorno al residuo appena formato per conservare il momento angolare. Mentre questo materiale cade verso l'interno, questo slancio lo lancia sotto forma di getti che emanano dai poli.
Questi sono noti come "getti relativistici" a causa del modo in cui il materiale viene accelerato per chiudere la velocità della luce. Mentre i GRB sono gli eventi più luminosi dell'Universo, sono osservabili dalla Terra solo quando uno dei loro assi polari è puntato direttamente verso di noi, il che significa che gli astronomi possono vederne solo circa il 10-20%. Sono anche molto brevi mentre vanno i fenomeni astronomici, che durano da una frazione di secondo a diversi minuti.
Inoltre, una stella deve ruotare estremamente velocemente per lanciare materiale lungo i suoi assi polari vicino alla velocità della luce. Ciò rappresenta un enigma per gli astronomi poiché le stelle di solito perdono qualsiasi effetto che acquisiscono molto rapidamente. Per rispondere a queste domande irrisolte, il team ha fatto affidamento su una collezione di modelli di evoluzione stellare per esaminare il comportamento delle stelle massicce mentre collassano.
Questi modelli sono stati creati dal Dr. Jan J. Eldridge dell'Università di Auckland, in Nuova Zelanda, con l'assistenza di ricercatori dell'Università di Warwick. Combinati con una tecnica nota come sintesi binaria della popolazione, gli scienziati hanno simulato una popolazione di migliaia di sistemi stellari per identificare il meccanismo mediante il quale possono verificarsi le rare esplosioni che producono GRB.
Da questo, i ricercatori sono stati in grado di limitare i fattori che causano la formazione di getti relativistici da alcune stelle che collassano. Ciò che hanno scoperto è che gli effetti delle maree, simili a quelli che si verificano tra la Terra e la Luna, erano l'unica spiegazione probabile. In altre parole, i GRB di lunga durata si verificano nei sistemi binari di stelle in cui le stelle sono bloccate insieme nel loro giro, creando un potente effetto di marea che accelera la loro rotazione.
Come Chrimes ha spiegato in un recente comunicato stampa di Warwick:
"Stiamo prevedendo che tipo di stelle o sistemi producono esplosioni di raggi gamma, che sono le più grandi esplosioni nell'Universo. Fino ad ora non è chiaro quale tipo di stelle o sistemi binari sia necessario per produrre quel risultato.
“La domanda è stata su come una stella inizia a girare o mantiene la sua rotazione nel tempo. Abbiamo scoperto che l'effetto delle maree di una stella sul suo partner sta impedendo loro di rallentare e, in alcuni casi, le sta facendo girare. Stanno rubando energia di rotazione dal loro compagno, una conseguenza della quale è che poi si allontanano ulteriormente.
“Ciò che abbiamo determinato è che la maggior parte delle stelle sta ruotando rapidamente proprio perché si trova in un sistema binario ".
Come ha sottolineato la dott.ssa Elizabeth Stanway, ricercatrice presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick e coautrice dello studio, l'evoluzione binaria non è affatto nuova per gli astronomi. Tuttavia, i tipi di calcoli eseguiti da Chrimes e dai suoi colleghi non sono mai stati effettuati prima a causa dei complicati calcoli coinvolti. Quindi, questo studio è il primo a considerare i meccanismi fisici al lavoro all'interno di modelli binari.
"C'è stato anche un grosso dilemma sulla metallicità delle stelle che producono esplosioni di raggi gamma", ha detto. “Come astronomi, misuriamo la composizione delle stelle e il percorso dominante per le esplosioni di raggi gamma richiede pochissimi atomi di ferro o altri elementi pesanti nell'atmosfera stellare. C'è stato un enigma sul perché vediamo una varietà di composizioni nelle stelle che producono lampi di raggi gamma e questo modello offre una spiegazione ".
Grazie a questo ultimo studio e al modello risultante che fornisce sull'evoluzione binaria, gli astronomi saranno in grado di prevedere come dovrebbero apparire le stelle produttrici di GRB in termini di temperatura, luminosità e proprietà della loro stella compagna. Guardando al futuro, Chimes e i suoi colleghi sperano di esplorare e modellare fenomeni transitori che rimangono un mistero per gli astronomi.
Questi includono Fast Radio Bursts (FRB) e ciò che li causa (in particolare la varietà ripetuta) o anche eventi più rari come la trasformazione delle stelle in buchi neri. Lo studio che descrive la loro scoperta è apparso nel numero di gennaio del Avvisi mensili della Royal Astronomical Society ed è stato finanziato dal Consiglio delle strutture scientifiche e tecnologiche del Regno Unito per la ricerca e l'innovazione.
