Il 9 ottobre 2022 è stato rilevato, da Terra e dallo spazio, il lampo di raggi gamma (GRB, Gamma Ray Burst) più luminoso di tutti i tempi, GRB 221009A, poi soprannominato BOAT (Brightest Of All Time). Tra i fotoni gamma di altissima energia provenienti da questo evento e intercettati dall’osservatorio cinese LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) ce n’era uno troppo energetico. Talmente tanto da mettere in crisi gli attuali modelli astrofisici sulla propagazione dei raggi gamma.

Con un’energia di ben 18 TeV (Tera elettronVolt), questo fotone ha l’energia più elevata mai registrata dalla radiazione proveniente da un lampo di raggi gamma. Un team di ricercatori italiani coordinato dall’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) e dall’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) ha provato a fornire un’interpretazione per questa osservazione inaspettata.

Cosa sappiamo di BOAT

Il 9 ottobre 2022, il Sistema Solare è stato attraversato da un eccezionale raggio di radiazione gamma noto come BOAT, il più potente mai osservato. La sua intensa luminosità ha accecato molti strumenti spaziali e attivato i rilevatori terrestri. Gli scienziati hanno analizzato dati da vari strumenti spaziali e terrestri, confermando che questo evento è stato 70 volte più luminoso di qualsiasi altro.

È stato identificato come un GRB di lunga durata, che ha viaggiato per 1.9 miliardi di anni prima di raggiungere la Terra. Probabilmente dovuto alla formazione di un buco nero dopo il collasso di una stella, non è ancora stata individuata la supernova che l’avrebbe originato, forse a causa dell’oscuramento da nubi di polvere.

A marzo di quest’anno, un nuovo studio ha rivelato che i getti di BOAT potrebbero essere alimentati dall’energia di un campo magnetico amplificato dalla rotazione del buco nero, il che sarebbe in grado di spiegare vari aspetti dell’esplosione. BOAT potrebbe rimanere rilevabile per anni.

L’ipotesi del fotone trasformista

Secondo l’ipotesi avanzata dal team italiano, il fotone troppo energetico appartenente a BOAT potrebbe essere un fotone trasformista. Si tratterebbe, cioè, di un fotone capace di cambiare natura, oscillando da uno stato all’altro mentre viaggia alla velocità della luce. Uno di questi stati sarebbe quello di fotone. L’altro quello dato dalle ALP, le Axion-Like Particles, ipotetiche particelle previste dalla teoria delle stringhe, candidate per costituire la materia oscura fredda. Le ALP sono simili ad altre particelle altrettanto ipotetiche, gli assioni.

Una ALP sarebbe in grado di compiere azioni che un fotone non riuscirebbe mai a portare a termine. Per esempio, attraversare indenne l’Extragalactic Background Light (EBL), la luce di fondo extragalattica, ovvero la luce emessa da tutte le stelle durante l’intera evoluzione dell’Universo. Quando un fotone di energia superiore a 100 GeV urta un fotone dell’EBL, c’è una probabilità che si formi una coppia elettrone-positrone, che fa scomparire il fotone di alta energia. Questo effetto diventa progressivamente più importante al crescere sia dell’energia, sia della distanza.

Secondo la fisica convenzionale, i fotoni di energia superiore a circa 10 TeV verrebbero completamente assorbiti. Considerando l’enorme distanza percorsa dal lampo gamma, i fotoni a energie più elevate in teoria non sarebbero mai stati in grado di giungere fino a noi.

I ricercatori ipotizzano quindi che i fotoni del GRB 221009A a energie comprese fra 500 GeV e 18 TeV, osservati da LHAASO, siano giustificabili dalle ALP. “Secondo la nostra ipotesi, in presenza di campi magnetici, i fotoni si tramutano in ALP e viceversa” ha spiegato Marco Roncadelli, ricercatore associato all’INFN e all’INAF. “Rendendo così possibile raggiungere la Terra a un maggior numero di fotoni, perché le ALP sono invisibili ai fotoni del fondo extragalattico”.

Un caso raro, ma non unico

L’oscillazione tra fotoni e ALP presa in considerazione da questo studio è un’idea già avanzata in passato, precisamente nel 2007, sempre da un team di ricerca italiano. Ed è una soluzione a un problema più generale di quello posto da questo GRB.

Oltre ai lampi di raggi gamma, infatti, ci sono altre sorgenti distanti che emettono fotoni a energie elevatissime, ma in grado di giungere fino a noi. Sorgenti come i quasar di tipo FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar), dove la componente che interrompe la corsa dei fotoni non è l’ELB, ma un campo di radiazione ultravioletta all’interno della sorgente stessa. O i blazar di tipo BL Lac, il cui spettro sarebbe in alcuni casi inspiegabile senza ricorrere a un meccanismo che consenta di ridurre l’assorbimento prodotto dall’EBL.

Fotoni da quasar FSRQ, fotoni da blazar BL Lac e ora fotoni da questo lampo gamma BOAT, apparentemente inconcepibili entro il perimetro della fisica standard, sono tutti e tre spiegabili se fossero particelle che oscillano da fotone ad ALP e viceversa. Per dare solidità a questa ipotesi, però, serviranno altre osservazioni. Di grande aiuto saranno i nuovi osservatori astrofisici per alte energie. Primi fra tutti, il progetto CTA (Cherenkov Telescope Array) e con esso l’italiano ASTRI (Astrofisica con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana), che entreranno in funzione nei prossimi anni.

L’articolo, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, è scaricabile qui in versione pre-print.