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6 aprile 2005 Anno Mondiale della Fisica 1 LASTROFISICA DEGLI OGGETTI COLLASSATI Attilio Ferrari Università di Torino.

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Presentazione sul tema: "6 aprile 2005 Anno Mondiale della Fisica 1 LASTROFISICA DEGLI OGGETTI COLLASSATI Attilio Ferrari Università di Torino."— Transcript della presentazione:

1 6 aprile 2005 Anno Mondiale della Fisica 1 LASTROFISICA DEGLI OGGETTI COLLASSATI Attilio Ferrari Università di Torino

2 2 La teoria della relatività Einstein 1905: relatività speciale Einstein 1905: relatività speciale La luce si propaga a velocità c per qualunque osservatore La luce si propaga a velocità c per qualunque osservatore Trasformate di Lorentz Trasformate di Lorentz Fattore di Lorentz Fattore di Lorentz La massa dipende dalla velocità La massa dipende dalla velocità La velocità c è la velocità massima raggiungibile La velocità c è la velocità massima raggiungibile Equivalenza massa/energia Equivalenza massa/energia γ

3 3 La teoria della gravitazione Einstein 1916: relatività generale Einstein 1916: relatività generale Equivalenza tra forze gravitazionali e forze inerziali Equivalenza tra forze gravitazionali e forze inerziali La scelta di un opportuno sistema di riferimento fa scomparire le forze inerziali La scelta di un opportuno sistema di riferimento fa scomparire le forze inerziali Lo stesso gioco si può fare con la gravità Lo stesso gioco si può fare con la gravità Sistemi in caduta libera Sistemi in caduta libera

4 4 La massa deforma lo spazio: i corpi seguono traiettorie definite dalla curvatura dello spazio e dalla loro velocità La massa deforma lo spazio: i corpi seguono traiettorie definite dalla curvatura dello spazio e dalla loro velocità (Non si parla più di forza gravitazionale) (Non si parla più di forza gravitazionale) Equazioni di Einstein Equazioni di Einstein

5 5 Un passo indietro: Newton La velocità di fuga v f : la velocità da imprimere a un corpo per sottrarlo alla gravità di una massa M con raggio R La velocità di fuga v f : la velocità da imprimere a un corpo per sottrarlo alla gravità di una massa M con raggio R La velocità di fuga dalla Terra è di 11.2 km/s La velocità di fuga dalla Terra è di 11.2 km/s Un satellite in orbita al limite dellatmosfera ha velocità di 7.9 km/s Un satellite in orbita al limite dellatmosfera ha velocità di 7.9 km/s

6 6 Nel 1798 Laplace valuta che, nella teoria corpuscolare newtoniana, la luce non può sfuggire dalla superficie di un corpo che abbia v f > c esistono le stelle nere ? Nel 1798 Laplace valuta che, nella teoria corpuscolare newtoniana, la luce non può sfuggire dalla superficie di un corpo che abbia v f > c: esistono le stelle nere ? Non possiamo ricevere informazioni da un corpo di massa M che abbia un raggio Non possiamo ricevere informazioni da un corpo di massa M che abbia un raggio Esiste un orizzonte gravitazionale Esiste un orizzonte gravitazionale Ma si afferma la teoria ondulatoria: la luce è unonda, non ha massa ! Come può allora sentire la forza gravitazionale ? Lorizzonte potrebbe essere trasparente alla luce ! Ma si afferma la teoria ondulatoria: la luce è unonda, non ha massa ! Come può allora sentire la forza gravitazionale ? Lorizzonte potrebbe essere trasparente alla luce !

7 7 Equivalenza di massa ed energia: anche lenergia sente la forza gravitazionale Equivalenza di massa ed energia: anche lenergia sente la forza gravitazionale I raggi di luce seguono le geodetiche, traiettorie definite da una velocità sempre eguale a c I raggi di luce seguono le geodetiche, traiettorie definite da una velocità sempre eguale a c I fotoni muovendosi in un campo gravitazionale perdono energia e si arrossano I fotoni muovendosi in un campo gravitazionale perdono energia e si arrossano Se il campo è molto intenso la loro energia tende a zero e diventano invisibili Se il campo è molto intenso la loro energia tende a zero e diventano invisibili Quindi il concetto di orizzonte si applica anche alla luce Quindi il concetto di orizzonte si applica anche alla luce

8 8 Lorizzonte degli eventi Lespressione relativistica dellorizzonte gravitazionale coincide formalmente con quella di Laplace Lespressione relativistica dellorizzonte gravitazionale coincide formalmente con quella di Laplace Prende il nome di raggio di Schwarzschild (1916) Prende il nome di raggio di Schwarzschild (1916) Masse concentrate in raggi minori non lasciano sfuggire materia né luce: buchi neri, black holes, BH, zone oscure nello spazio Masse concentrate in raggi minori non lasciano sfuggire materia né luce: buchi neri, black holes, BH, zone oscure nello spazio Per la Terra il limite è 1 cm, per il Sole 3 km Per la Terra il limite è 1 cm, per il Sole 3 km

9 9 Orbite dei fotoni intorno a un BH Metrica di Schwarzschild per la deformazione dello spazio intorno ad una massa M non rotante Metrica di Schwarzschild per la deformazione dello spazio intorno ad una massa M non rotante Traiettorie dei fotoni emessi da sorgenti poste a diverse distanze dal BH Traiettorie dei fotoni emessi da sorgenti poste a diverse distanze dal BH A R=R Sch i fotoni ricadono entro il BH A R=R Sch i fotoni ricadono entro il BH

10 10 Problemi di estrema gravità Effetti di relatività generale in campi gravitazionali intensi Effetti di relatività generale in campi gravitazionali intensi Quando diventano importanti ? Quando diventano importanti ? Che cosa vuol dire campi intensi ? Che cosa vuol dire campi intensi ? Quando la velocità di fuga si avvicina a c ! Quando la velocità di fuga si avvicina a c ! Oggetti compatti Oggetti compatti

11 11 Fasi finali della vita delle stelle Puff! Bang! Stelle come il Sole o di massa minore fanno poco rumore Stelle come il Sole o di massa minore fanno poco rumore Stelle di massa maggiore danno luogo a collassi ed esplosioni Stelle di massa maggiore danno luogo a collassi ed esplosioni

12 12 Nane Bianche Sirio B

13 13 Catastrofi: eventi supernova Stelle massive (> 8 masse solari) La fusione nucleare produce lenergia Gravità e pressione si bilanciano La fusione crea una struttura a cipolla Nel nucleo si sintetizza il ferro Fotodisintegrazione: il nucleo si raffredda Collasso: kaboom Forte rilascio di energia: ergs, 1000 volte maggiore di quanto emette il Sole nella sua vita intera Risultato: una stella di neutroni o un buco nero circondati da una shell di materiale radioattivo in espansione

14 14 Pulsar e stelle di neutroni

15 15 In condizioni normali la materia è ben lontana dallo stadio di BH In condizioni normali la materia è ben lontana dallo stadio di BH In astrofisica è possibile raggiungere situazioni di forte compressione della materia e quindi produrre oggetti di dimensioni inferiori al raggio dellorizzonte In astrofisica è possibile raggiungere situazioni di forte compressione della materia e quindi produrre oggetti di dimensioni inferiori al raggio dellorizzonte In termini di densità (corpi omogenei) In termini di densità (corpi omogenei) Esistono BH ?

16 16 Strutture stellari di equilibrio

17 17 Nuclei galattici Le condensazioni centrali nei nuclei delle galassie sono presumibilmente BH perché contengono masse pari a 10 8 M entro raggi di dimensione del sistema solare 10 8 km Le condensazioni centrali nei nuclei delle galassie sono presumibilmente BH perché contengono masse pari a 10 8 M entro raggi di dimensione del sistema solare 10 8 km Le densità non sono in tal caso molto grandi, ma la forza di gravità è enorme Le densità non sono in tal caso molto grandi, ma la forza di gravità è enorme Il raggiungimento di questo stadio è ineluttabile (Rees) Il raggiungimento di questo stadio è ineluttabile (Rees)

18 18 Come si possono vedere i BH ? I BH sono riscaldatori cosmici I BH sono riscaldatori cosmici Attraggono la materia circostante, la comprimono, la frammentano e la surriscaldano Attraggono la materia circostante, la comprimono, la frammentano e la surriscaldano La materia diventa molto luminosa e può essere osservata prima di essere inghiottita dallorizzonte La materia diventa molto luminosa e può essere osservata prima di essere inghiottita dallorizzonte

19 19 1 caramella = 10 kilotoni Dischi di accrescimento, vortici gravitazionali Dischi di accrescimento, vortici gravitazionali Il materiale che cade, rilascia fino al 40% dellenergia di massa: E ~ 0.4 mc 2 Il materiale che cade, rilascia fino al 40% dellenergia di massa: E ~ 0.4 mc 2

20 20 Per mantenere il BH luminoso per tempi lunghi occorre un regolare rifornimento di materia Per mantenere il BH luminoso per tempi lunghi occorre un regolare rifornimento di materia Sistemi stellari compatti Sistemi stellari compatti Ambiente ricco di gas Ambiente ricco di gas La materia si pone in orbita quasi-Kepleriana e si surriscalda per effetto di forze viscose La materia si pone in orbita quasi-Kepleriana e si surriscalda per effetto di forze viscose

21 21 Il caso di Cygnus X-1 Ottico Raggi X Sorgente X scoperta dal satellite Uhuru nel 1970 Sorgente X scoperta dal satellite Uhuru nel 1970

22 22 Impulsi irregolari a raggi X della durata di millisecondi Impulsi irregolari a raggi X della durata di millisecondi Radiazione del disco di accrescimento con irregolarità dovute alla dinamica Radiazione del disco di accrescimento con irregolarità dovute alla dinamica

23 23 Le misure di massa con la III legge di Keplero indicano valori 3 M, superiori al limite di massa delle stelle degeneri Le misure di massa con la III legge di Keplero indicano valori 3 M, superiori al limite di massa delle stelle degeneri

24 24 Il nucleo di M 87 visto da HST Compatto, massiccio, rotante Intenso campo gravitazionale con grande momento angolare ?

25 25 Il modello disco - getto Laccrescimento di massa su oggetti con intenso campo gravitazionale è il meccanismo più efficiente per la produzione di energia Laccrescimento di massa su oggetti con intenso campo gravitazionale è il meccanismo più efficiente per la produzione di energia (Lynden-Bell 1969, Scheuer 1974, Rees 1974) I getti come meccanismo di estrazione di momento angolare I getti come meccanismo di estrazione di momento angolare Associazione tra accrescimento sotto forma di dischi e getti collimati e persistenti Associazione tra accrescimento sotto forma di dischi e getti collimati e persistenti Smulazioni di sistemi complessi nonlineari Smulazioni di sistemi complessi nonlineari

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27 27 I LAMPI GAMMA A Detective Story

28 28 I satelliti VELA Nel 1960 gli Stati Uniti mettono in orbita la flotta di satelliti Vela per il controllo dei test nucleari Il sistema è basato su satelliti multipli per registrare segnali in coincidenza nella banda dei raggi gamma Le orbite sono definite con scarsa accuratezza

29 29 Il primo lampo Nel 1969 vengono pubblicati dati raccolti nel 1967 che mostrano un lampo (burst) di origine non terrestre Vengono registrati altri 16 lampi tra il 1969 e il 1972 Nel 1973 Klebesadel, Strong & Olson annunciano la scoperta al mondo scientifico e coniano il termine Gamma- Ray-Burst (GRB)

30 30 Lastronomia gamma è ancora nella sua infanzia La scarsa accuratezza nella definizione delle direzioni di arrivo dei segnali non consente di associare i lampi con sorgenti astrofisiche La brevità dei segnali impedisce di combinare le osservazioni gamma con quelle in altre bande spettrali I segnali vengono da vicino o da lontano ? Che cosa sono mai ?

31 31 Due elementi base per capire la natura di una sorgente celeste: Due elementi base per capire la natura di una sorgente celeste: dovè e quantè potente ? Ma sono strettamente legati nelle misure astronomiche ! Ma sono strettamente legati nelle misure astronomiche ! 1. Per stimare la distanza di una sorgente si confronta la sua effettiva potenza con la potenza ricevuta: ma se non ho la sua effettiva potenza non posso stimarne la distanza 2. Per stimare la potenza effettiva di una sorgente uso la potenza ricevuta e la diluisco con la distanza: quindi se non ho la distanza non posso misurarne la potenza effettiva Il tormentone astronomico

32 32 Lindagine si complica Classificando nuovi dati nascono altri interrogativi sui misteriosi lampi gamma Alcuni lampi sono singoli e regolari, altri molto complessi, a molti picchi Alcuni lampi sono brevi e stretti, ma vengono seguiti da lampi secondari più lunghi Le durate vanno dai 30 millisecondi ai 1000 secondi

33 33 Il Compton Gamma Ray Observatory CGRO ( )

34 34

35 35 BATSE 8 rivelatori agli angoli del satellite ad alta sensibilità, con risoluzione energetica e con risposta direzionale

36 36 OSSE

37 37 Lo zoo dei lampi gamma

38 38 Distribuzione del lampi nel cielo Appaiono dovunque !!! Nessuna associazione con specifiche strutture astronomiche Hanno tutti grandi flussi di energia in raggi gamma

39 39 Vicini o lontani ? Implicazioni della distribuzione isotropa Implicazioni della distribuzione isotropa 1. Vicini al sistema solare, entro la Via Lattea: quali tipi di oggetti vicini hanno una distribuzione isotropa ? quali tipi di oggetti vicini hanno una distribuzione isotropa ? perché non ci sono lampi deboli ? perché non ci sono lampi deboli ? bastano piccole quantità di energia, sarebbe sufficiente un asteroide che cadesse su una stella di neutroni bastano piccole quantità di energia, sarebbe sufficiente un asteroide che cadesse su una stella di neutroni 2. Lontani, a distanze cosmologiche: lisotropia è interpretata automaticamente lisotropia è interpretata automaticamente servono enormi quantità di energia servono enormi quantità di energia

40 40 Fluence: erg cm -2 s -1 Distanza: 1 Gpc Energia:10 51 erg Distanza: 100 kpc Energia: erg Cosmologici o Galattici ? Serve un nuovo tipo di osservazioni The great debate (1995)

41 41 Verso la soluzione Nel 1997 il satellite scientifico italiano BeppoSAX rivela emissione di raggi X da una zona del cielo 8 ore dopo un lampo gamma Nel 1997 il satellite scientifico italiano BeppoSAX rivela emissione di raggi X da una zona del cielo 8 ore dopo un lampo gamma

42 42 7 mesi più tardi il Telescopio Spaziale Hubble rivela emissione ottica dalla stessa regione

43 : il primo afterglow (bagliore) ottico rivelato da HST immediatamente dopo il lampo gamma : il primo afterglow (bagliore) ottico rivelato da HST immediatamente dopo il lampo gamma raggiunge la 9° magnitudine raggiunge la 9° magnitudine È associato con una galassia lontana È associato con una galassia lontana Lo si sarebbe potuto osservare con un piccolo binocolo ! Lo si sarebbe potuto osservare con un piccolo binocolo !

44 44 Ipernova Supranova Coalescenza di stelle di neutroni Il problema è ora energetico Se si tratta di oggetti lontani, quale può essere lorigine di tutta quellenergia ? Se si tratta di oggetti lontani, quale può essere lorigine di tutta quellenergia ? Modelli: rilascio di energia gravitazionale Modelli: rilascio di energia gravitazionale

45 45 Una supernova che produca una stella di neutroni o un buco nero è un candidato per produrre lampi gamma Una supernova che produca una stella di neutroni o un buco nero è un candidato per produrre lampi gamma Il problema energetico è anche meglio interpretato se lemissione del lampo è collimata in un fascio Il problema energetico è anche meglio interpretato se lemissione del lampo è collimata in un fascio Ma i lampi gamma debbono essere ancora più numerosi Ma i lampi gamma debbono essere ancora più numerosi

46 46 La Supernova Connection GRB Lafterglow ottico decade come la curva di luce di una supernova Lafterglow ottico decade come la curva di luce di una supernova

47 47 Alcuni lampi gamma lasciano un afterglow ottico che, al suo decadere, lascia emergere lo spettro tipico della supernova associata Alcuni lampi gamma lasciano un afterglow ottico che, al suo decadere, lascia emergere lo spettro tipico della supernova associata

48 48 Queste osservazioni favoriscono il modello di supernova rispetto alla coalescenza Queste osservazioni favoriscono il modello di supernova rispetto alla coalescenza Ma esistono varie classi di lampi Ma esistono varie classi di lampi In ogni caso si tratta di eventi violenti in galassie a distanze cosmologiche In ogni caso si tratta di eventi violenti in galassie a distanze cosmologiche La presenza di getti e il loro orientamento va tenuto presente per stimare lenergetica effettiva: il beaming relativistico La presenza di getti e il loro orientamento va tenuto presente per stimare lenergetica effettiva: il beaming relativistico

49 49 Uniformità dellenergetica correggendo per il getto Cosmologia dai lampi gamma? Cosmologia dai lampi gamma? Sono candele standard Misure di distanza in cosmologia Osservazioni delle prime stelle

50 50 A caccia dei colpevoli HETE-2 GLAST SwiftAGILE

51 51 Gli indiziati ? Fisica dei collassi gravitazionali Fisica dei collassi gravitazionali Formazione dei getti Formazione dei getti Interazione dei getti con la shell di supernova in espansione Interazione dei getti con la shell di supernova in espansione Sequenza delle emissioni dal radio ai gamma Sequenza delle emissioni dal radio ai gamma

52 52 Modello di ipernova con getto e shocks

53 53 I colpevoli nascosti sono i buchi neri !


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