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Il più potente Gamma-Ray Burst cosmico mai registrato ha modificato l’alta ionosfera terrestre

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Lo studio di un gruppo di ricerca italiano, pubblicato su Nature Communication, dimostra che esplosioni cosmiche possono temporaneamente danneggiare lo schermo naturale che ci protegge dalle radiazioni solari.

Crediti immagine: ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)

Il 9 ottobre 2022, alle 15:21, tutti gli osservatori spaziali di alta energia in orbita attorno alla Terra e nello spazio interplanetario hanno rivelato il più forte lampo di raggi gamma (GRB) mai osservato: era il risultato dell’esplosione di una supernova distante 1,9 miliardi di anni luce da noi. Questo evento, denominato dagli astrofisici GRB221009A, è risultato essere uno dei più brillanti arrivati sulla Terra negli ultimi 10.000 anni.

L'osservatorio spaziale INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) dell’Agenzia Spaziale Europea ha registrato l’arrivo di questo lampo gamma estremamente intenso e di lunga durata con i due telescopi per raggi gamma, IBIS e SPI, che da oltre vent'anni fanno osservazioni del cielo di alta energia. Contemporaneamente, il satellite CSES-01 (China Seismo Electromagnetic Satellite), frutto di una lunga collaborazione tra l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e quella cinese (CNSA), ha registrato una perturbazione macroscopica del campo elettrico della ionosfera con il rivelatore di campo elettrico EFD (Electric Field Detector). CSES-01 orbita a una quota di oltre 500 km e raccoglie dati da vari strumenti per rivelare segnali generati da fenomeni naturali di origine terrestre (terremoti, tsunami o eruzioni vulcaniche), da brillamenti solari o da particelle associate ai raggi cosmici. L’orbita del satellite si svolge all’interno della ionosfera, tenue residuo di aria presente ad alta quota che viene così denominato proprio perché ionizzata dalla radiazione ultravioletta (UV) solare, da raggi X e gamma e raggi cosmici che bombardano continuamente la nostra atmosfera, scudo naturale che permette lo svolgimento e l’evoluzione della normale vita biologica sulla terra.

Il gruppo multidisciplinare di ricerca che si occupa dell’analisi dei dati dei due satelliti (astrofisici, astro-particellari, geologi, vulcanologi, ricercatori universitari e di enti di ricerca), conoscendo bene gli effetti che i raggi X provenienti da tempeste solari provocano nella ionosfera, ha subito realizzato che un lampo gamma, molto più energetico di quelli solari e straordinariamente intenso come quello del 9 ottobre 2022, potesse avere un profondo impatto sulla parte alta dell’atmosfera. Tuttavia, non ne erano certi, poiché in passato solo alcuni lampi gamma erano stati in grado di generare variazioni significative nella ionosfera, rivelate comunque solo a basse quote e per di più di notte, quando il contributo legato all’illuminazione solare non è presente. Non era mai stato osservato l’effetto di un GRB a 500 km, quota dove orbita CSES-01. Per loro è stato eccitante scoprire come questo lampo di raggi gamma, incredibilmente intenso e di lunga durata (circa 800 secondi), abbia causato un macroscopico cambiamento del campo elettrico che ha subito un aumento di circa 60 volte: un effetto mai rivelato prima.

A parte la scoperta di carattere scientifico, questo risultato è importante perché ha dimostrato che un flusso di raggi gamma, generato quasi due miliardi di anni fa e proveniente da distanze cosmologiche, può perturbare fortemente la parte più alta della ionosfera terrestre. L’enorme quantità di raggi gamma ha poi continuato il suo cammino verso la superficie terrestre. Nel loro percorso i raggi gamma hanno ionizzato tutte le componenti gassose dell’atmosfera - azoto, ossigeno, anidride carbonica e altri gas in percentuale minore - compreso il sottile strato di ozono che si trova tra 15 e 40 km di altezza, schermo naturale contro i dannosi raggi UV del Sole. Infine la radiazione è stata completamente assorbita nella stratosfera al disotto dei 30 km.

In poche parole GRB221009A è riuscito, seppure per un periodo breve, a generare un enorme ed esteso “buco dell’ozono” che ha interessato quasi metà della superficie terrestre (si vedano le figure), cosa che si pensava potesse accadere, ma mai registrata prima in situ come hanno fatto in tandem INTEGRAL e CSES-01. In passato, una ridotta capacità di schermaggio dello strato di ozono è stata rivelata sull’Antartide e si è scoperto che era stata generata dall’uso diffuso per anni di clorofluorocarburi (CFC) usati in aerosol, spray e plastica espansa e da tempo vietati a livello internazionale.

I satelliti INTEGRAL e CSES misurano insieme gli effetti del GRB221009A sulla ionosfera. Crediti immagine: ESA/ATG Europe; licenza: CC BY-SA 3.0 IGO

Mappa del planisfero con la parte illuminata dal GRB221009A in grigio. In blu l’orbita di CSES-01 con in verde il breve tratto interessato dall’arrivo dei raggi gamma e corrispondente alla variazione del campo elettrico misurata dal rivelatore EFD a bordo di CSES-01. Crediti: Piersanti M, et al. Nat Commun 14, 7013 (2023); licenza: CC BY 4.0 DEED

Come noto, lo strato di ozono assorbe gran parte della radiazione UV solare che altrimenti potrebbe causare tumori della pelle, bruciature profonde e danni permanenti e irreversibili. Ovviamente in questo caso l’effetto è durato solo i pochi minuti del passaggio dei raggi gamma, poi tutto è tornato normale. Ma se la supernova fosse esplosa vicina al sistema solare avrebbe potuto essere una catastrofe. Simulazioni pubblicate nel 2005 da ricercatori statunitensi della NASA hanno dimostrato come un lampo gamma generato nella nostra Via Lattea potrebbe distruggere completamente la presenza dell’ozono nella stratosfera per anni, tempo sufficiente a causare una estinzione di massa sulla terra. La sua intensità potrebbe essere miliardi di volte quella di GRB221009A, quindi indebolire o annientare del tutto la barriera protettiva per mesi o anni. Ma la probabilità che ciò avvenga è molto bassa, quasi trascurabile: oltre ad avvenire nella nostra galassia, dove si pensa ci sia l’esplosione di una supernova ogni circa 100 anni, il getto di fotoni gamma del lampo deve essere orientato esattamente nella direzione della terra.

La scoperta, annunciata martedì 14 novembre dopo la pubblicazione del lavoro nella rivista Nature Communications, dimostra come esplosioni cosmiche che avvengono anche molto lontano dal nostro sistema solare possano influenzare l’atmosfera, che si comporta come un enorme rivelatore di raggi gamma e scudo protettivo per la vita biologica del pianeta.

 


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