Esplosioni cosmiche

Il 9 ottobre 2022 un enorme flusso di raggi gamma, il più forte lampo gamma mai registrato, è stato rivelato da molti satelliti orbitanti nello spazio interplanetario e ha colpito la Terra. Alle 13:21 Tempo Universale, l’osservatorio spaziale per raggi gamma dell’ESA INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) ha rivelato un lampo gamma estremamente intenso e di lunga durata, più di 800 secondi, convenzionalmente chiamato “GRB 221009”. A rilevarlo è stato il satellite China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES-01), frutto della collaborazione tra l’Agenzia Spaziale Italiana e quella cinese e a cui partecipa il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento. Circa quattro minuti dopo l’inizio del fenomeno, CSES-01 ha registrato una macroscopica perturbazione del campo elettrico nello strato più alto dell’atmosfera terrestre, dovuta ad una corrente improvvisa e forte. Si tratta di un effetto mai osservato in precedenza nella parte superiore della ionosfera, lo strato più alto e tenue dell’atmosfera terrestre.
«Al momento dell’arrivo del lampo gamma il satellite si trovava dalla parte del pianeta illuminata dall’enorme flusso di raggi gamma. Un vero colpo di fortuna» commenta Roberto Battiston, fisico UniTrento, fondatore del progetto CSES in Italia e fra i primi autori del lavoro scientifico appena pubblicato su Nature Communications. «L’interazione con la ionosfera è stata così intensa e lunga - più di 800 secondi - da fare registrare per ore disturbi nelle trasmissioni radio ionosferiche. L’effetto del GRB è stato immediatamente osservato dal rivelatore di particelle a bordo di CSES. Ma la quantità di energia che ha investito il pianeta in un tempo così breve è stata talmente grande che ci ha immediatamente fatto pensare che ci potessero essere anche degli effetti sulle caratteristiche della ionosfera mai osservati in precedenza. Questo risultato mostra come, in certe condizioni, l’intero pianeta possa diventare un sensore per la rivelazione di fenomeni astrofisici se si hanno a disposizione strumenti sufficientemente sensibili in grado di operare nello spazio» continua Battiston.
Il lampo di fotoni del GRB221009A, generato da una galassia lontana 2 miliardi di anni luce, una volta arrivato sulla terra aveva ancora abbastanza energia da perturbare la nostra ionosfera in modo così marcato. Questo tipo di fenomeni hanno sempre interessato gli strati più bassi della ionosfera, provocando disturbi alle trasmissioni radio. Il GRB221009A ha sostanzialmente “spostato” la ionosfera verso il basso per tutta la sua durata. Un effetto simile si registra durante brillamenti solari di forte intensità che provocano veri e propri blackout radio.
«Questo tipo di risultato conferma l’idea che una supernova che avesse luogo nella nostra galassia potrebbe avere conseguenze molto serie per il nostro pianeta. C’è un grande dibattito scientifico sulle possibili conseguenze di un GRB galattico, potenzialmente miliardi di volte più intenso di questo. Nel peggiore dei casi potrebbe alterare lo strato di ozono atmosferico che protegge la vita biologica dalle radiazioni ultraviolette prodotte dal Sole. C’è chi sostiene che un simile effetto possa essere la possibile causa di alcune delle estinzioni di massa avvenute nel passato, idea che tuttavia rimane a livello di ipotesi» commenta Battiston.

Il satellite CSES-01 – La ionosfera è uno strato fondamentale per la propagazione delle onde radio, senza la quale non si potrebbero effettuare trasmissioni radio di bassa frequenza attorno al pianeta. La sua densità è però così bassa che i satelliti riescono ad orbitarci all’interno.
Uno di questi satelliti è proprio CSES-01, che ha lo scopo di monitorare l’alta ionosfera e la magnetosfera. L’obiettivo è rivelare perturbazioni collegabili a fenomeni naturali sia di origine terrestre, come terremoti, tsunami o eruzioni vulcaniche, sia di origine esterna come le perturbazioni dovute a tempeste solari.
Il satellite ospita vari strumenti tra i quali un rivelatore di particelle realizzato dall’INFN, un rivelatore di campo elettrico sviluppato in collaborazione con l’INAF-IAPS di Roma, oltre ad una serie di rivelatori tra cui quelli di campo magnetico e delle proprietà del plasma realizzati dai colleghi cinesi.
In passato solo alcuni GRB erano stati in grado di generare variazioni significative sulla ionosfera, ma solo a basse quote e di notte, quando il contributo legato all’illuminazione solare non è presente. Mai era stato osservato l’effetto di un GRB all’altezza dell’alta atmosfera dove orbita CSES-01 e di giorno.
Grazie alla straordinaria sensibilità dello strumento di campo elettrico è stato possibile osservare per la prima volta questo effetto. L’effetto registrato dal rivelatore EFD a bordo di CSES in congiunzione del GRB221009A è la prova che la ionosfera terrestre era stata ionizzata in modo così intenso da raggi gamma di alta energia, da generare una variazione della conducibilità tale da di produrre variazioni del campo elettrico ionosferico.

La collaborazione con UniTrento - Proprio per sfruttare le potenzialità delle misure effettuate dallo spazio, il gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento ha realizzato una versione avanzata del sensore per i Gamma Ray Burst che sarà lanciato con il satellite CSES-2 nel 2024. «Il nuovo sensore ha una maggior sensibilità agli effetti dei Gamma Ray Burst sul nostro pianeta» spiega Roberto Iuppa, fisico UniTrento che ha coordinato lo sviluppo del nuovo strumento che opererà dallo spazio. «Permetterà di contribuire alla rete mondiale destinata all’avvistamento di questi segnali provenienti dall'Universo estremo».

I risultati di questa misura sono stati pubblicati su “First Evidence of Earth’s top-side ionospheric electric field variation triggered by impulsive cosmic photons” di Piersanti M., Ubertini, P., Battiston, R., et al. [Nature Communication, Nature Communications, volume 14, Article number: 7013 (2023)].