Quali ricerche svolgiamo a Ferrara sui GRB?

Ci occupiamo dei problemi tuttora aperti e irrisolti legati al fenomeno GRB. In particolare, uno degli aspetti ancora meno compresi riguarda proprio il meccanismo di produzione dei raggi gamma, ovvero la natura del/dei processo/i fisici elementari che generano questa radiazione.

• Analisi dati di satelliti e missioni passate e in corso

Per investigare questo problema, analizziamo i dati di alta energia raccolti da esperimenti passati come BATSE o BeppoSAX, ma anche e soprattutto dati prodotti da missioni spaziali tuttora operative, tra cui il satellite Swift (2004-) e il satellite Fermi (2008-).

• Sviluppo di un modello teorico di GRB

Non solo ci occupiamo di analisi dati ma anche dello sviluppo di modelli teorici che siano in grado di spiegare le proprieta' osservate. In particolare, ci occupiamo di testare il modello recentemente proposto dal prof. Lev Titarchuk e altri membri del nostro gruppo, pubblicato di recente.

• Relazione di Amati: interpretazione e uso cosmologico

Una delle proprieta' fondamentali dei GRB e' data da una correlazione tra due grandezze fisiche, l'energia rilasciata nell'assunzione di rilascio isotropico (eguale energia rilasciata in ogni direzione, ovvero in simmetria sferica), e l'energia di picco, ovvero l'energia dei singoli raggi gamma che domina il contenuto energetico. Tale relazione, confermata dalla quasi totalita' dei GRB di cui si sono potute misurare entrambe le grandezze in questione, fu scoperta dal nostro omonimo collaboratore e colleghi ed e' nota come relazione di Amati (Amati relationship, in inglese).

Oltre al tentativo di fornire una interpretazione teorica di questa proprieta' che pare essere a tutti gli effetti fondamentale, stiamo anche investigando un uso cosmologico di tale relazione per studiare la geometria dell'Universo stesso. Questo sfrutta il fatto che i GRB hanno una luminosita' talmente grande che e' possibile osservarli anche in galassie molto lontane. In questo senso, i GRBs non sono piu' soltanto l'oggetto di interesse astrofisico, ma divengono uno strumento, una sonda per esplorare le proprieta' dello spazio-tempo in modo alternativo e complementare ad altre tecniche (si legga, ad es., l'articolo di Amati et al. 2008).

• Analisi temporale delle curve di luce

Le curve di luce dei GRB, ovvero il flusso di raggi gamma in funzione del tempo, mostrano una grande varieta', dai piu' semplici che mostrano un unico impulso, fino ai piu' complessi, costituiti da una selva vera e propria di impulsi di durata variabile sovrapposti e spesso intervallati da periodi di assenza di segnale, cosiddetti intervalli di quiescenza.

L'analisi temporale delle curve di luce puo' svelare non solo i tempi scala caratteristici del fenomeno (associati alle dimensioni delle regioni di emissione e alla compressione dei tempi scala legata a effetti di relativita'), ma nasconde delle proprieta' chiave per l'identificazione del meccanismo che genera i raggi gamma e di come funziona la stella morente che li ha generati. A causa della breve durata e dell'apparente complessita' del fenomeno, il problema dal punto di vista matematico e' piuttosto complesso e richiede l'impiego di varie tecniche di analisi temporale, come la semplice analisi di Fourier, alla decomposizione in termini di wavelet, fino a tecniche relativamente nuove come la singular spectrum analysis (SSA) e varie altre. Visto come un processo stocastico, ovvero il flusso come una variabile casuale la cui evoluzione nel tempo e' regolata da processi fisici da determinare, il fenomeno s'inquadra nella categoria di processi non stazionari, ovvero le cui proprieta' globali evolvono nel tempo. Il nostro gruppo, in collaborazione con altri gruppi, forte di una esperienza in questo campo, e' impegnato su tale fronte, come testimoniato da nostre recenti pubblicazioni (e.g. Dichiara et al. 2013a; Dichiara et al. 2013b; Guidorzi et al. 2012; Guidorzi et al. 2015), contribuendo attivamente anche allo sviluppo di programmi di utilita' poi distribuiti e utilizzabili in altri ambiti (Guidorzi 2015).

• Studio delle proprieta' dell'afterglow nell'ottico e collaborazioni internazionali

Alcuni membri del nostro gruppo collaborano da anni con l'acquisizione, l'analisi e l'interpretazione dei dati acquisiti tramite  telescopi robotici da terra delle sorgenti nel visibile associate ai GRB. Come si e' detto a proposito delle controparti X, se si e' sufficientemente veloci nel ripuntare un telescopio nella posizione dove c'e' stato un GRB, si puo' osservare (tipicamente telescopi dal metro in su di diametro, a causa della debolezza della sorgente, salvo casi eccezionali) una "stella" che prima non appariva e il cui flusso decade tipicamente come una legge di potenza, come mostrato anche dalla controparte X. Tale sorgente viene analogamente chiamata afterglow ottico o visibile, ovvero la sorgente nell'ottico o nel visibile (per distinguerla dai raggi X e gamma) che rimane dopo il bagliore durato pochi secondi del GRB vero e proprio.

In seno a collaborazioni internazionali, diverse delle quali da noi guidate (Guidorzi et al. 2009; Guidorzi et al. 2011; Guidorzi et al. 2014), studiamo cosa si puo' dedurre circa le proprieta' del getto di emissione relativistica che scaturisce da queste esplosioni e cosa si puo' dedurre circa la geometria (angolo di apertura del getto, angolo di vista rispetto all'asse del getto, energia emessa in radiazione gamma ed efficienza rispetto al totale di energia emessa, cosi' via). Tutte queste informazioni concorrono finalmente a tracciare un identikit del tipo di stella progenitrice di queste immani esplosioni cosmiche. Non sappiamo ancora con certezza se la nostra stessa galassia, la Via Lattea, possa ospitare stelle di questo tipo. Se cosi' fosse e una di queste esplodesse puntando il proprio getto nella nostra direzione, si assisterebbe in pochi secondi alla quasi totale ionizzazione dell'atmosfera terrestre con effetti devastanti per la gran parte delle specie viventi sulla Terra.

La nostra collaborazione e' con il gruppo di GRB dell'Astrophysical Research Institute dell'Universita' John Moores di Liverpool che gestisce una rete di telescopi robotici, ovvero pronti a ripuntare la zona di cielo dove e' stato un GRB, senza l'intervento umano ma in completa autonomia, tra cui la rete di telescopi di 2 m di diametro come il Liverpool Telescope (La Palma, Isole Canarie), e i due Faulkes Telescope North (Hawaii) e South (Australia)

In seno a questa collaborazione, uno di noi ha condiviso il premio "Progetto dell'anno" 2007 ( Times Higher Education Supplement "Research Project of the Year" Award) assegnato per il lavoro pioneristico svolto con il polarimetro ottico RINGO attualmente impiegato al Liverpool Telescope, che ha permesso di ottenere misure senza precedenti di polarizzazione di luce di afterglow ottico a pochi minuti dal GRB stesso, con implicazioni fondamentali sulla natura della stella progenitrice (Mundell et al. 2007, Science; Steele et al. 2009, Nature; Mundell et al. 2013, Nature).

• Collaborazioni Internazionali e possibilita' di tesi di laurea magistrale

Nell'ambito di tali collaborazioni internazionali e' possibile svolgere tesi di laurea magistrale su argomenti di interesse comune. Per ulteriori informazioni circa le possibilita' e' opportuno contattare il docente di riferimento, Cristiano Guidorzi. Di seguito elenchiamo le persone/istituti con cui collaboriamo da anni regolarmente.

1. Astrophysical Research Institute (Liverpool, UK), prof. S. Kobayashi, prof. I.A. Steele.
2. Dept. of Physics, University of Bath (UK), prof. C.G. Mundell, head of Astrophysics.
3. Dept. of Mathematics and Physics, University of Ljubljana (Slovenia), prof. A. Gomboc.
4. New York University (former Harvard), USA, postdoctoral fellow Dr. Raffaella Margutti.