{"id":9360,"date":"2020-12-17T18:19:43","date_gmt":"2020-12-17T17:19:43","guid":{"rendered":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9360"},"modified":"2020-12-17T21:47:35","modified_gmt":"2020-12-17T20:47:35","slug":"lampi-di-platino-sulla-costante-di-hubble","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9360","title":{"rendered":"Lampi di platino sulla costante di Hubble"},"content":{"rendered":"\n

Uno studio pubblicato su ApJ analizza alcune propriet\u00e0 fondamentali di un nuovo campione di gamma ray burst (Grb) \u2013\u00a0il cosiddetto \u201cPlatinum sample\u201d \u2013 e include per la prima volta alcuni casi di Grb associati alle kilonove. Secondo i risultati, questi esemplari speciali di Grb si collocano sul cosiddetto \u201cpiano fondamentale\u201d con una dispersione molto inferiore rispetto agli studi precedenti, tanto da poter essere impiegati come candele standard per stimare i parametri cosmologici e l\u2019espansione dell\u2019universo. Media Inaf ha intervistato la prima autrice, Maria Giovanna Dainotti<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Rappresentazione artistica di un\u2019esplosione di kilonova. Crediti: Eso\/L. Cal\u00e7ada\/M. Kornmesser<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Avevano trovato un campione d\u2019oro, i cercatori di gamma ray burst<\/em> (Grb<\/a><\/strong>) che \u2013 guidati da Maria Giovanna Dainotti \u2013 hanno scoperto il cosiddetto \u201cpiano fondamentale<\/strong>\u201d: una relazione a tre parametri sulla quale si posizionano Grb di diversa natura<\/em> ma con una caratteristica comune \u2013 quella di avere le carte in regola per appartenere a questa classe \u201cdorata\u201d, appunto. Ma non era che l\u2019inizio. Cercando nell\u2019oro, hanno trovato il platino: un nuovo sottocampione di Grb<\/em>, di simile natura e durata, ma con curve di luce caratterizzate da una lunga fase di plateau senza improvvisi aumenti di luminosit\u00e0<\/em> (flares<\/em>). Questo campione \u2013 assieme alle kilonove<\/strong><\/a> \u2013 ha consentito di rifinire ancor meglio il legame fra i parametri fisici che determinano il piano fondamentale<\/em> come mezzo per discriminare varie categorie di Grb \u2013 e impiegarle come <\/em>strumenti cosmologici per stimare l\u2019espansione dell\u2019universo<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

I Grb<\/strong> sono gli oggetti pi\u00f9 energetici dell\u2019universo \u2013 in grado, in pochi secondi, di emettere l\u2019energia prodotta dal Sole nell\u2019arco della sua intera vita<\/em>. Sicuramente \u00e8 questa una delle caratteristiche che hanno incuriosito e spinto Maria Giovanna Dainotti<\/strong> \u2013 prima autrice dell\u2019articolo<\/strong><\/a> pubblicato il 25 novembre 2020 su The Astrophysical Journal<\/em> \u2013 a farne oggetto e scopo della sua carriera. L\u2019hanno portata a spasso per il mondo, i Grb, dopo la laurea a Salerno e il dottorato di ricerca in astrofisica relativistica<\/em> a Roma, tanto che ora lavora non in uno \u2013 non in due \u2013 bens\u00ec in tre diversi istituti di ricerca: \u00e8 assistant professor<\/em> dell\u2019Osservatorio astronomico presso la Jagiellonian University<\/strong>, a Cracovia, ricercatrice senior<\/em> dell\u2019Interdisciplinary Theoretical & Mathematical Science Program a Riken<\/strong>, in Giappone, e affiliated research scientist<\/em> del Science space istitute a Boulder, in Colorado<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

\u00abIl lavoro che abbiamo pubblicato ora \u00e8 il risultato di pi\u00f9 di 12 anni di studi \u2013 cominciati al termine del mio dottorato, quando ho iniziato a interessarmi alla correlazione fra gli osservabili di questi misteriosi e potentissimi oggetti astrofisici. Anno dopo anno \u2013 e in questo articolo, in collaborazione con i giovani ricercatori Giuseppe Sarracino<\/em> e Aleksander Lenart,<\/em> e i colleghi professori Salvatore Capozziello, Shigeiro Nagataki<\/em> e Nissim Fraja<\/em> \u2013 siamo riusciti ad aggiungere tutti i tasselli necessari a comporre la nostra relazione a tre parametri \u2013 che abbiamo chiamato \u201cpiano fondamentale dei Grb<\/strong>\u201d\u00bb, racconta a Media Inaf<\/em> Dainotti.<\/p>\n\n\n\n

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Maria Giovanna Dainotti, prima autrice del lavoro pubblicato il 25 Novembre su Apj. Crediti: Fullbright Italia Alumni Event<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Lei ha gi\u00e0 presentato a Media Inaf<\/em> i suoi risultati nel 2017, parlando proprio di questa relazione a tre parametri e legandola a un campione di Grb che avevate definito \u201cdorato\u201d (nello studio, golden sample<\/em>). Nel vostro nuovo lavoro, l\u2019oro diventa platino \u2013 il platinum sample<\/em>. Cos\u2019\u00e8 cambiato?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abIn effetti questo lavoro rappresenta un passo successivo rispetto a quello di tre anni fa<\/strong><\/a>, poich\u00e9 abbiamo investigato un campione con caratteristiche fenomenologiche pi\u00f9 chiare e pi\u00f9 nette per aumentare la possibilit\u00e0 di usarlo come \u201ccandela standard\u201d e strumento affidabile per indagini cosmologiche. Il nuovo campione \u2013 il platinum sample<\/em> \u2013 \u00e8 un sottocampione del golden sample<\/em> e in quanto tale \u00e8 composto di 222 Grb che presentano una fase di plateau<\/em> <\/strong>\u2013 la parte centrale dell\u2019emissione, osservata dal satellite Swift<\/em> alle frequenze dei raggi X<\/em> \u2013 abbastanza piatta; un altro requisito \u00e8 che non devono esserci lacune nei dati durante la fase di plateau<\/em><\/strong> \u2013 la cui durata deve essere maggiore di 500 secondi <\/em>\u2013 n\u00e9 alla fine dello stesso, per far s\u00ec che questa fase caratteristica sia determinata bene. Infine, non devono esserci flares<\/em> che impediscano l\u2019identificazione chiara del plateau<\/em> stesso<\/strong>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Tutti i Grb presentano questa fase di plateau<\/em>?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abCirca il 60 per cento di tutti i Grb con redshift noto presenta il plateau<\/em>, e all\u2019interno di questa percentuale \u00e8 possibile trovare tutte le classi con le quali abbiamo costruito il piano fondamentale. La maggior parte degli eventi considerati sono i cosiddetti Grb lunghi<\/strong> (long Grbs<\/em>), ma sono stati inclusi alcuni cosiddetti ultra lunghi, e Grb associati a kilonove e supernove<\/strong>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Che risultato ha portato questa nuova classificazione?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abIl platinum sample<\/strong><\/em> ha una dispersione nel piano fondamentale il 31 per cento inferiore rispetto a quella del precedente golden sample<\/em> quando consideriamo anche gli effetti di selezione. Significa che tutti i Grb si distribuiscono attorno, sopra e sotto questo piano<\/em> \u2013 definito da tre osservabili fondamentali dei Grb \u2013 occupando posizioni pi\u00f9 prossime rispetto al best fit del piano. Mentre la dispersione del golden sample valeva 0.32, nel platinum sample vale 0.22<\/em> \u2013 sicuramente un bel passo avanti rispetto allo studio precedente\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Quali sono questi parametri di cui parla e che definiscono il piano fondamentale dei Grb?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abSono la durata della fase di plateau<\/em> nei raggi X<\/strong>, la sua luminosit\u00e0 e la luminosit\u00e0 di picco della fase cosiddetta \u201cprompt<\/strong>\u201d \u2013 la breve fase iniziale di emissione di raggi gamma ad altissima energia<\/em>, che dura da pochi secondi a poche ore, in basa alla tipologia di Grb considerata\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Nel vostro studio si parla anche delle kilonove: qual \u00e8 il loro ruolo nel vostro studio?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abI Grb associati alle kilonove<\/strong> sono una novit\u00e0 esclusiva del nostro studio. Diversamente da ogni indagine precedente, infatti, ci siamo chiesti quale fosse il ruolo dei Grb associati a kilonove nelle correlazioni fra i parametri che identificano il piano fondamentale \u2013 e, di conseguenza, quale posizione occupassero in questo. La cosa interessante che abbiamo trovato \u00e8 che tutti gli eventi di Grb associati a kilonove<\/strong>\u00a0\u2013 che sono un sottocampione degli short<\/em> Grb, quelli la cui emissione nella fase di prompt<\/em> \u00e8 inferiore a due secondi \u2013 si posizionano al di sotto del piano degli short<\/em> e del piano fondamentale di tutti i Grb<\/strong>. Cos\u00ec come avviene per le altre categorie di Grb che popolano il piano \u2013 i Grb lunghi e quelli ultra-lunghi, ad esempio \u2013 ci saremmo aspettati che anche questa categoria si disperdesse un po\u2019 al di sopra e un po\u2019 al di sotto del piano. Prima di trarre qualunque conclusione affrettata, ci siamo chiesti se potesse essere un effetto di selezione dovuto al fatto che le kilonove<\/strong> sono osservate a redshift pi\u00f9 basso rispetto agli altri Grb<\/em>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Cio\u00e8?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abIl pi\u00f9 lontano Grb associato alle kilonove si trova<\/strong> a redshift <\/em>2.21 (circa 2.9 miliardi di anni dopo il Big Bang<\/strong>), mentre il pi\u00f9 lontano tra quelli appartenenti al platinum<\/em> sample si trova a<\/strong> redshift<\/em> 5 (appena 1.15 miliardi di anni dopo il Big Bang<\/strong>). Grazie a sofisticati mezzi di indagine statistica, abbiamo verificato che questa caratteristica permane<\/em>, ed \u00e8 quindi intrinseca alla fisica dei Grb\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Fanno parte del platinum sample<\/em> anche le kilonove?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abNo, il nostro studio si ramifica in varie dimensioni. Da un lato, consideriamo il platinum sample<\/strong> \u2013 una categoria di Grb morfologicamente ben definiti<\/em> \u2013 secondo le caratteristiche che abbiamo elencato prima \u2013, dall\u2019altro includiamo una seconda classe di oggetti catalogati in letteratura come Grb associati a kilonove e supernove<\/strong>. Ci tengo a sottolineare come, negli studi precedenti, avevamo sottolineato il fatto che una sola categoria di Grb non potesse essere sufficiente a definire una \u201ccandela standard\u201d<\/em> \u2013 ed essere usata quindi a fini cosmologici. Questo vale certamente per i Grb lunghi. Con le kilonove<\/strong>, invece, ci dobbiamo ricredere: la loro dispersione nel piano \u00e8 cos\u00ec bassa che, da sole, potrebbero bastare<\/em>. Il punto fondamentale del nostro lavoro \u00e8 che abbiamo aggiunto pi\u00f9 Grb rispetto agli studi precedenti, e queste aggiunte hanno consentito di popolare maggiormente classi prima non analizzate e fare uno studio statisticamente pi\u00f9 accurato \u2013 rivelando anche nuove classi, proprio come quelle associate alle kilonove\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

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Rappresentazione del piano fondamentale degli short Grb. In giallo, i Grb associati alle Kilonovae si collocano sistematicamente al di sotto del piano. Crediti: Dainotti et al., Apj. Doi: 10.3847\/1538-4357\/abbe8a<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Che tipologia di Grb \u00e8 quella associata a una kilonova?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abLe kilonove<\/strong> fanno parte di una sottoclasse dei Grb brevi (in inglese short Grb<\/strong>), anche se \u2013 come dicevo \u2013 diversamente da questi le kilonove si posizionano al di sotto del piano fondamentale<\/strong>. Un\u2019altra novit\u00e0 importante di questo studio \u00e8 che siccome molte kilonove sono di attribuzione incerta<\/em> perch\u00e9, ad esempio, la controparte del Grb \u00e8 troppo luminosa e maschera la natura di queste sorgenti<\/em>, la posizione dei Grb associati alle kilonove e la loro piccola dispersione fa s\u00ec che in futuro sar\u00e0 possibile effettuare l\u2019associazione di un Grb con una kilonova guardando il suo posizionamento nel piano fondamentale<\/strong>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Il vostro studio si concentra anche sul definire i Grb come possibili \u201ccandele standard\u201d. Cosa sono e quali sono gli ingredienti che rendono i Grb potenzialmente adatti?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abLe candele standard<\/strong> sono oggetti astrofisici la cui luminosit\u00e0 o la cui brillanza \u00e8 costante e nota, oppure ricavabile da altre caratteristiche osservabili della sorgente considerata \u2013 delle quali, almeno una indipendente dalla distanza<\/em>. Nel caso dei Grb<\/strong> la difficolt\u00e0 sta nel fatto che essi hanno una luminosit\u00e0 e un\u2019energia molto variabile che spazia attraverso oltre otto ordini di grandezza<\/em> \u2013 ed \u00e8 quindi molto complicato identificare una luminosit\u00e0 o un\u2019energia costante<\/em>. Tramite le relazioni che compongono il piano fondamentale per\u00f2, si riescono a identificare caratteristiche che si mantengono costanti<\/strong>. Ad esempio, l\u2019energia all\u2019interno del plateau \u00e8 costante ed \u00e8 direttamente proporzionale alla luminosit\u00e0 emessa durante il picco della fase di prompt<\/em><\/strong>. <\/em>O ancora, la luminosit\u00e0 di picco del prompt<\/em> \u00e8 direttamente proporzionale alla luminosit\u00e0 alla fine della fase piatta<\/strong>, a sua volta inversamente proporzionale alla sua durata<\/strong>. Sono queste tre variabili insieme \u2013 quelle che definiscono il piano fondamentale \u2013 a essere le giuste candidate per definire una \u201ccandela standard\u201d\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Questo significa che almeno uno dei tre parametri deve essere misurabile direttamente, giusto?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abEsatto. Ci\u00f2 che si misura direttamente<\/strong> \u2013 e che pertanto costituisce la variabile indipendente \u2013 \u00e8 la durata del plateau<\/em><\/strong> \u2013 misura per la quale non \u00e8 necessaria la conoscenza dei parametri cosmologici dell\u2019universo. Anche la luminosit\u00e0 potrebbe essere considerata come variabile indipendente<\/em>, ma dal punto di vista cosmologico questa non \u00e8 la scelta pi\u00f9 opportuna, poich\u00e9 si tratta di una grandezza che, per essere determinata, richiede a sua volta la conoscenza dei parametri cosmologici<\/em>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

In altre parole, per calcolare alcuni dei parametri del piano occorrono i parametri cosmologici \u2013 parametri che dovrebbero poi essere calcolati grazie alla definizione del piano stesso, nel caso in cui esso venga utilizzato \u2013 come dicevamo prima \u2013 come \u201ccandela standard\u201d?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00ab\u00c8 cos\u00ec, chiamiamo questo problema \u201ccircolarit\u00e0\u201d. In realt\u00e0 in uno studio del 2013<\/strong><\/a> abbiamo affrontato questa questione e abbiamo trovato la ricetta corretta per poter usare i Grb come candele standard senza incorrere nella circolarit\u00e0. La soluzione prevede di cambiare contemporaneamente i parametri che definiscono il piano \u2013 cio\u00e8 i coefficienti legati al tempo di durata del plateau e alla luminosit\u00e0 di picco \u2013 e i parametri cosmologici<\/strong> per moltissime combinazioni di parametri. Cio\u00e8, variando i parametri cosmologici all\u2019interno di una griglia grande a piacere rivalutiamo quali sono i best fit del piano fondamentale<\/em> \u2013 che variano appunto con la cosmologia usata. Quando abbiamo esaurito la griglia vediamo quali sono i valori migliori dei parametri cosmologici assieme a quelli che meglio descrivono i parametri del piano<\/em>. In questo modo non fissiamo mai la cosmologia in maniera esplicita a priori<\/strong>. Grazie a questa tecnica, pensiamo che sia possibile usare i Grb per misurare, ad esempio, l\u2019espansione dell\u2019universo \u2013 esattamente come si fa con le supernove di tipo Ia<\/em>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

E, come le supernove, anche i Grb possono essere usati, in quanto candele standard, per misurare la scala delle distanze nell\u2019universo?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abAllo stato attuale, usare i Grb come estimatori di redshift<\/strong> significa introdurre un\u2019incertezza sulla misura maggiore rispetto alla variazione indotta cambiando i parametri cosmologici.<\/em> Al momento quindi, con le correlazioni di cui disponiamo, non \u00e8 possibile raggiungere una buona precisione nella stima delle distanze. Stiamo attualmente lavorando a un progetto che usa la tecnica del machine learning<\/strong> per aumentare il numero di parametri e osservabili associati ai Grb<\/em> in modo da ottenere una buona stima delle distanze utilizzando i soli dati ricavati dai Grb\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Come stimate allora la distanza di questi Grb?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abO in maniera fotometrica<\/strong> o spettroscopica<\/strong>. Tutti i Grb coinvolti nel nostro studio hanno una stima di distanza catalogata nell\u2019archivio di Swift<\/em> \u2013 la missione principale dalla quale ricaviamo i dati per determinare le correlazioni nel piano fondamentale\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Le kilonove emettono anche onde gravitazionali. Ci sono informazioni importanti che potete ricavare grazie allo studio combinato con questo tipo di emissioni?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abAl momento abbiamo solo un evento che mostra anche l\u2019emissione di onde gravitazionali<\/strong><\/a><\/em>, ma se in futuro raccoglieremo pi\u00f9 statistica sarebbe interessante vedere, ad esempio, se anche in questi casi il Grb associato attraversa la fase di plateau <\/em>\u2013 e se possano essere considerati nel nostro campione ideale di Grb da usare come candele standard. Ci sono stati studi che hanno usato onde gravitazionali come \u201csirene standard\u201d<\/strong> per calcolare, ad esempio, la costante di Hubble<\/strong>. Quindi s\u00ec, sicuramente si potrebbe pensare a uno studio combinato utilizzando queste due diverse prove cosmologiche. Sicuramente avere metodi indipendenti presenta un vantaggio notevolissimo\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Il vostro metodo di applicazione del piano fondamentale dei Grb come \u201ccandele standard\u201d per la cosmologia \u00e8 gi\u00e0 stato applicato?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abIl metodo che evita la circolarit\u00e0 della cosmologia \u2013 quello di cui parlavamo prima \u2013 s\u00ec, \u00e8 stato applicato con successo da noi e da diversi altri studi. La vera novit\u00e0 per il futuro, partendo da questo nostro lavoro, sar\u00e0 quella di applicare la correlazione pi\u00f9 precisa e meno dispersa che abbiamo trovato grazie al platinum sample e alle kilonove<\/em> per lo studio dei modelli e dei parametri cosmologici\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Avete gi\u00e0 iniziato a lavorarci?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abS\u00ec, abbiamo gi\u00e0 un draft<\/em> che al momento \u00e8 in revisione e quindi ci auguriamo, fra qualche mese, di poter dare una risposta anche a questo quesito. Mi farebbe piacere in quell\u2019occasione raccontarvi cosa abbiamo trovato e spero ci risentiremo\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

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Per saperne di pi\u00f9:<\/strong><\/p>\n\n\n\n