Mentre il telescopio Integral dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) stava osservando il cielo, ha improvvisamente avvistato un'esplosione di raggi gamma proveniente dalla vicina galassia M82. Solo poche ore dopo, il telescopio spaziale XMM-Newton dell'ESA ha cercato il bagliore residuo dell'esplosione, ma non ha trovato niente. Gli astronomi si sono resi conto che l'esplosione doveva essere stata il brillamento extragalattico di una magnetar, una giovane stella di neutroni con un campo magnetico eccezionalmente forte.
Un curioso segnale da una galassia vicina
Nel novembre 2023, il telescopio Integral dell'ESA ha individuato un'improvvisa esplosione di un oggetto raro. Per solo un decimo di secondo, una breve esplosione di raggi gamma energetici è apparsa dalla direzione della luminosa galassia M82.
I dati satellitari sono stati ricevuti presso l'Integral Science Data Center di Ginevra, da dove è stato inviato un alert per un'esplosione di raggi gamma agli astronomi di tutto il mondo, solo 13 secondi dopo il suo rilevamento. Il software IBAS (Integral Burst Alert System) ha fornito una localizzazione automatica in coincidenza con la vicina galassia M82.
Ora spettava agli astronomi capire cosa fosse successo: si è trattato di uno dei lampi di raggi gamma più comuni o di una rara occasione di un gigantesco brillamento da parte di una magnetar?
"Ci siamo subito resi conto che si trattava di un alert speciale. I lampi di raggi gamma provengono da molto lontano e da qualsiasi parte del cielo, ma questo lampo proveniva da una galassia luminosa vicina", spiega Sandro Mereghetti dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF-IASF) di Milano, e autore principale di uno studio su questa scoperta.
Il team ha richiesto al telescopio spaziale XMM-Newton dell'ESA di eseguire un'osservazione di follow-up della posizione dell'esplosione il prima possibile. Se si fosse trattato di un breve lampo di raggi gamma, causato dalla collisione di due stelle di neutroni, la collisione avrebbe creato onde gravitazionali e avrebbe avuto un bagliore residuo nei raggi X e nella luce visibile.
"Le osservazioni di XMM-Newton hanno mostrato solo il gas caldo e le stelle nella galassia. Se questa esplosione fosse stata un breve lampo di raggi gamma, avremmo visto una fonte di raggi X in dissolvenza proveniente dalla sua posizione, ma questo bagliore residuo non era presente", aggiunge la coautrice Michela Rigoselli dell'INAF. "Utilizzando telescopi ottici terrestri, tra cui il Telescopio Nazionale Galileo italiano e l'Observatoire de Haute-Provence francese, abbiamo cercato un segnale nella luce visibile, solo poche ore dopo l'esplosione, ma anche questa volta non abbiamo trovato nulla. Senza segnale nei raggi X e nella luce visibile, e senza onde gravitazionali misurate dai rilevatori sulla Terra (LIGO/VIRGO/KAGRA), siamo certi che il segnale provenisse da una magnetar", aggiunge Mereghetti.
Jan-Uwe Ness, scienziato del progetto Integral dell'ESA, spiega: "quando vengono rilevate osservazioni inaspettate come questa, Integral e XMM-Newton possono essere flessibili nei loro programmi, il che è essenziale nelle scoperte cruciali in termini di tempo. In questo caso, se le osservazioni fossero state effettuate anche solo un giorno dopo, non avremmo prove così forti che si tratti davvero di una magnetar e non di un lampo di raggi gamma".
Le magnetar
Quando le stelle massicce otto volte più del Sole muoiono, esplodono in una supernova che lascia dietro di sé un buco nero o una stella di neutroni. Le stelle di neutroni sono resti stellari molto compatti con una massa superiore a quella del Sole racchiusa in una sfera delle dimensioni di una città. Ruotano rapidamente e hanno forti campi magnetici.
"Alcune giovani stelle di neutroni hanno campi magnetici estremamente forti, più di 10.000 volte quelli delle tipiche stelle di neutroni. Queste sono chiamate magnetar. Emettono energia in brillamenti, e occasionalmente questi brillamenti sono giganteschi", spiega Ashley Chrimes, ricercatore presso l'ESA.
Tuttavia, negli ultimi 50 anni di osservazioni di raggi gamma, solo tre brillamenti giganteschi sono stati osservati dalle magnetar nella nostra galassia. Queste esplosioni sono molto forti: una, rilevata nel dicembre 2004, proveniva da 30.000 anni luce da noi, ma era ancora abbastanza potente da influenzare gli strati superiori dell'atmosfera terrestre. In maniera simile a come li influenzano i brillamenti solari, provenienti da molto più vicino a noi.
"Il brillamento rilevato da Integral è la prima conferma di una magnetar al di fuori della Via Lattea. Sospettiamo che anche alcuni degli altri "brevi lampi di raggi gamma" rivelati da Integral e da altri satelliti siano giganteschi brillamenti provenienti da magnetar", continua Mereghetti. "Questa scoperta apre la nostra ricerca di altre magnetar extragalattiche. Se riusciamo a trovarne molte altre, potremo iniziare a capire quanto spesso si verificano questi brillamenti e come queste stelle perdono energia nel processo", aggiunge Ashley.
"Tuttavia, esplosioni di così breve durata possono essere catturate in modo fortuito solo quando un osservatorio sta già puntando nella giusta direzione. Ciò rende Integral, con il suo ampio campo visivo, più di 3000 volte maggiore dell'area di cielo coperta dalla Luna, così importante per questi rilevamenti", sottolinea Jan-Uwe.
M82 è una galassia luminosa dove avviene la formazione stellare. In queste regioni nascono stelle massicce, vivono vite brevi e turbolente e lasciano dietro di sé una stella di neutroni. La scoperta di una magnetar in questa regione conferma che le magnetar sono probabilmente giovani stelle di neutroni. La ricerca di altre magnetar continuerà in altre regioni di formazione stellare, per comprendere questi straordinari oggetti astronomici.