AT 2020afjz (TSS2020a): The First Fast Extragalactic Transient Discovered by TESS

L'universo è pieno di esplosioni cosmiche che avvengono in un battito di ciglia, eppure per decenni i nostri telescopi sono stati troppo lenti per coglierle sul fatto. Mentre gli astronomi studiano da tempo le supernovae e altre morti stellari che si sviluppano nell'arco di giorni o settimane, gli eventi più veloci — quelli che brillano e svaniscono in poche ore — sono rimasti in gran parte invisibili. Questi momenti fugaci sono alimentati da una fisica estrema, che spesso coinvolge getti di materia che si muovono quasi alla velocità della luce, ma senza un telescopio capace di osservare il cielo continuamente e scattare foto molto rapidamente, questi eventi sfuggono inosservati. La sfida è stata trovare un modo per individuare questi lampi della durata di un'ora prima che svaniscano, un compito che richiede una combinazione unica di visione ampia e rapida attenzione.

Un team di astronomi ha ora catturato uno di questi elusivi eventi, segnando un cambiamento significativo nel modo in cui osserviamo il cosmo. Utilizzando i dati del Transiting Exoplanet Survey Satellite, noto come TESS, i ricercatori hanno scoperto un brillante lampo di luce in una galassia lontana che è apparso, ha raggiunto il picco e svanito completamente in una singola notte. Questo evento, designato come AT 2020afjz, è la prima volta che un'esplosione extragalattica così veloce viene scoperta senza un preavviso da parte di un rilevatore di raggi gamma. Invece di aspettare che un satellite inviasse un allarme, il team ha utilizzato una nuova pipeline software per setacciare i dati di TESS e trovare il lampo autonomamente. Il risultato è una registrazione dettagliata di un'esplosione che è durata solo circa due ore e mezza al suo massimo splendore, offrendo una rara visione ad alta definizione della nascita e della morte di un getto relativistico.

La scoperta è iniziata nel novembre 2020, quando il satellite TESS stava scansionando una porzione di cielo nell'emisfero australe. TESS è progettato per cercare pianeti osservando le stelle per minuscole diminuzioni di luminosità, ma le sue telecamere sono anche in grado di cogliere improvvisi aumenti di luminosità. I ricercatori hanno sviluppato un sistema per elaborare le immagini a pieno campo del satellite, cercando qualsiasi cosa che cambiasse rapidamente. Hanno trovato una sorgente che è salita al picco della sua luminosità in circa un'ora e poi è svanita, rimanendo visibile per circa dieci ore prima di scomparire nello sfondo. La curva di luce, che traccia la luminosità nel tempo, ha mostrato una salita lenta e un declino rapido, un modello che differisce dal comportamento tipico della maggior parte delle note esplosioni cosmiche.

Per capire cosa abbia causato questo lampo, il team ha prima dovuto localizzare la sua dimora. Confrontando la posizione del lampo con immagini profonde di altri telescopi, hanno individuato la sua origine in una debole e distante galassia. Questa galassia fa parte di una coppia di galassie interagenti, il che significa che sono abbastanza vicine da influenzarsi a vicenda con la propria gravità. Il lampo è avvenuto vicino a una di queste galassie, che appare come un piccolo sistema di formazione stellare. La distanza di questa galassia è vasta; la luce che vediamo è partita quando l'universo era molto più giovane, corrispondendo approssimativamente a un redshift di 0,67. Il fatto che l'evento sia avvenuto in una galassia dove le stelle sono ancora in fase di nascita supporta l'idea che sia stato causato dalla morte di una stella massiccia, uno scenario che spesso porta a potenti getti di energia.

La natura dell'esplosione stessa rimane un enigma con due possibili soluzioni, entrambe compatibili con i dati. I ricercatori hanno modellato la curva di luce utilizzando la fisica che descrive come i getti di materia interagiscono con lo spazio circostante. Hanno scoperto che l'evento potrebbe essere spiegato in due modi. La prima possibilità è che l'esplosione sia stata un "afterglow orfano", il che significa che il getto è stato sparato in una direzione che non puntava direttamente verso la Terra. In questo scenario, stiamo vedendo il lato del getto piuttosto che il suo nucleo, il che spiegherebbe perché la luce sia salita lentamente e perché non sia stato rilevato alcun lampo di raggi gamma. La seconda possibilità è che il getto fosse puntato verso di noi, ma fosse "sporco", ovvero intasato da troppa materia per produrre un brillante lampo di raggi gamma. In questo caso, l'esplosione sarebbe un "fireball sporco", dove l'energia viene rilasciata lentamente come un brillante lampo ottico senza la consueta firma ad alta energia.

Un pezzo fondamentale del puzzle manca: il team non può confermare se siano stati effettivamente emessi raggi gamma. Il satellite progettato per rilevare questi burst ad alta energia, Fermi-GBM, era bloccato dalla Terra proprio nel momento in cui l'esplosione è avvenuta. A causa di questa lacuna nella copertura, i ricercatori non possono affermare con certezza se l'evento sia stato un lampo di raggi gamma avvenuto in una posizione nascosta alla vista, o un lampo di raggi gamma che non è mai avvenuto affatto. Questa incertezza significa che non possono scegliere tra le spiegazioni dell' "orfano" e del "fireball sporco". Tuttavia, entrambi gli scenari puntano alla stessa conclusione: l'evento è stato guidato da un motore relativistico, probabilmente il collasso di una stella massiccia, ma si è comportato diversamente dalle tipiche esplosioni a cui siamo abituati.

La portata di questa scoperta va oltre l'evento specifico. Dimostra che TESS, un telescopio costruito principalmente per trovare pianeti, può anche servire come potente strumento per trovare esplosioni rapide e rare nell'universo. Utilizzando la nuova pipeline software per analizzare i dati del satellite, il team ha dimostrato che possiamo ora rilevare questi transienti della durata di un'ora senza la necessità di un trigger di raggi gamma. Ciò apre la strada alla scoperta di una intera nuova popolazione di eventi cosmici che si sono nascosti finora alla nostra vista. Sebbene il team non possa ancora dire esattamente quanti di questi eventi esistano, la scoperta di AT 2020afjz suggerisce che siano là fuori, in attesa di essere trovati. Mentre il software continua a scansionare più dati da TESS, gli astronomi si aspettano di scoprire altri di questi momenti fugaci, fornendo un quadro più chiaro della fisica più estrema dell'universo.

Lo studio evidenzia anche l'importanza del tempo e della precisione. Il lampo è durato solo 2,4 ore sopra la metà della sua massima luminosità, una finestra così breve che sarebbe stata persa da telescopi che scattano foto solo una volta al giorno. La capacità di risolvere la salita e la discesa dell'evento con tale dettaglio ha permesso ai ricercatori di modellare la fisica dell'esplosione con un alto grado di fiducia. Hanno determinato che l'esplosione è avvenuta in un ambiente denso, probabilmente una nube di gas e polvere, che ha influenzato il modo in cui la luce è giunta a noi. Questa densità suggerisce che l'esplosione sia avvenuta in una regione dove le stelle si stanno formando attivamente, in linea con la posizione della galassia ospite.

Nonostante la mancanza di dati sui raggi gamma, l'evento fornisce un punto di riferimento per la comprensione di questi transienti rapidi. Dimostra che non tutte le esplosioni relativistiche sono uguali e che alcune possono essere rilevate puramente attraverso la loro luce ottica. I ricercatori intendono applicare i loro metodi ai futuri dati di TESS, sperando di trovare altri esempi e, infine, di ricostruire la storia completa di questi eventi silenziosi nei raggi gamma. Per ora, AT 2020afjz rimane una testimonianza del potere dell'osservazione persistente e del valore del guardare il cielo con occhi nuovi, rivelando un angolo nascosto dell'universo che prima era fuori portata.