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1 Le Nuove Astronomie Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)

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Presentazione sul tema: "1 Le Nuove Astronomie Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)"— Transcript della presentazione:

1 1 Le Nuove Astronomie Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – Milano (Italy) Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Planetario di Milano7/18/2015

2 2 1. Introduzione Planetario di Milano7/18/2015 Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Astronomia ( ἀ στρονομία) secondo la definizione: lo studio e la misura dei corpi celesti (gli astri). Tradizionalmente eseguito con metodi ottici. Le stelle si guardano ! O con metodi in ogni caso basati su radiazione elettromagnetica (visibile o no) Ma ora, che abbiamo imparato a conoscere le particelle subucleari… Possiamo fare nuove astronomie, studiando particelle che vengono dagli astri ! Ma quali particelle ?

3 3 Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei Ossigeno Idrogeno Molecole: costituenti della materia Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro ( ) Planetario di Milano7/18/2015 Particelle elementari ? A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni L’Elettrone: una particella davvero elementare

4 4 quark PROTONE A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari Le particelle “elementari” sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dell’Universo Planetario di Milano7/18/2015

5 5 Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Hanno spin e carica ben definiti Sono elementari al meglio di m Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Costituiscono le particelle instabili MassaMassa Materia ordinaria Decadono in particelle stabili Planetario di Milano7/18/2015

6 6 Interazioni Gravitazionali Interazioni Nucleari Forti Interazioni Nucleari Deboli Interazioni Elettromagnetiche Planetario di Milano7/18/2015 Interazioni tra Particelle elementari

7 Un esempio semplice: l’atomo di deuterio 7 Quark: Cariche frazionarie Spin semi-intero Quark, elettroni e fotoni sono i Costituenti Fondamentali dell’Atomo m m Planetario di Milano7/18/2015 Interazioni forti Interazioni elettromagnetiche

8 Planetario Milano - 20/11/ Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa

9 Planetario Milano - 20/11/ Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra CDF al Fermilab (Chicago) Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati ATLAS al CERN di Ginevra

10 10 2. Astronomia con fotoni Planetario di Milano7/18/2015 Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Metodi ottici. I telescopi. Ma anche sfruttando una gamma molto estesa dello spettro elettromagnetico. In fondo, cosa è un fotone ? Un portatore del campo ondulatorio elettromagnetico. Può avere lungheze d’onda diversissime Cambia la frequenza, ma sempre di fotoni si tratta !

11 7/18/2015Planetario di Milano11 Astronomia ottica (esempio) Keck L’Astronomia dei grandi telescopi ottici (anche nello spazio, come Hubble) Riflettori da 3 m Keck a Mauna Kea (Hawaii)

12 7/18/2015Planetario di Milano12 Astronomia infrarossa (esempio) La scoperta della Radiazione Infrarossa (William Herschel,1800) Immagine infrarossa della Nebula Carina osservata dalla Wide Field Camera 3 dello Hubble Telescope. Lo spettro infrarosso è fortemente assorbito dall’atmosfera, rendendo spesso necessaria la rivelazione nello spazio.

13 7/18/2015Planetario di Milano13 Astronomia con le microonde (esempio) Mappa della radiazione cosmica di fondo ottenuta dal satellite Planck dopo la rimozione dei contributi dovuti a sorgenti locali e dell'anisotropia di dipolo. La radiazione cosmica di fondo è una delle prove del Modello del Big Bang Planck

14 7/18/2015Planetario di Milano14 Radioastronomia (esempio) Planck 1930: prima rivelazione di radiazione radio dalla Via Lattea Sistema interferometrico VLA, New Mexico M87 nell’ottico e nel Radio

15 7/18/2015Planetario di Milano15 Astronomia X (esempio) 1962: prima scoperta di radiazione X proveniente da sorgenti cosmiche (Riccardo Giacconi) Planck Molto utile per studiare gli oggetti altamente energetici dell’Universo L’osservazione di uno stesso oggetto astronomico in diverse lunghezze d’onda fornisce una incommensurabile ricchezza di informazioni

16 16 3. Raggi Gamma Planetario di Milano7/18/2015 Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali A rigore, si tratta sempre di astronomia con fotoni. Stavolta le energie dei fotoni (> 100 keV) in gioco sono tali da richiedere tecniche di rivelazione che sono tipiche della fisica nucleare. Studio di oggetti astrofisici ad energie estreme : Supernovae, Hypernovae, Pulsars, Blazars, Gamma Ray Bursts. Anche ricerche di Materia Oscura. Nello spazio: INTEGRAL, Fermi Gamma Ray Space Telescope AGILE (un satellite italiano, Agenzia Spaziale Italiana, Istituto Nazionale di Astrofisica, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) Fermi Gamma Space Telescope : astronomia gamma fino a circa 200 GeV E’ una astronomia già ora: vi sono sorgenti gamma note nel Cosmo !

17 17Planetario di Milano7/18/2015 Il centro della Galassia visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope

18 18Planetario di Milano7/18/2015 Il cielo a energie oltre 100 MeV visto da EGRET sul Compton Gamma Ray Observatory (2000) Il cielo a energie oltre 1 GeV visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope (2011)

19 19Planetario di Milano7/18/2015 Astronomia Gamma a terra: l’uso dell’atmosfera (radiatore Cerenkov) permette di estendere verso l’alto l’intervallo energetico studiato. MAGIC (a destra) Cerenkov Telescope Array (nel futuro) Le energie ora sono quelle tipiche degli acceleratori

20 20 4. Raggi Cosmici Planetario di Milano7/18/2015 Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Particelle cariche che arrivano dallo spazio fino alle energie più elevate mai osservate per le particelle elementari I Raggi Cosmici, scoperti all inizio del ‘900 hanno una origine ancora sconosciuta. Possono provenire dall’interno della nostra Galassia ma anche dal Cosmo in generale. Possono venire studiati nello spazio oppure a terra, sfruttando la loro interazione con l’atmosfera terrestre.

21 Planetario Milano - 20/11/ Affinche’ sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici. Acceleratore di particelle Pulsar Acceleratori terrestri e cosmici

22 Planetario Milano - 20/11/ Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s) Un AGN puo’ accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e’ quasi vuoto) Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra. e possono interagire nell’atmosfera. Sono i Raggi Cosmici

23 23Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale

24 24Planetario di Milano7/18/2015 Il flusso dei raggi cosmici si estende per molti ordini di grandezza in energia. E diventa sempre più flebile alle energie più elevate. 1 GeVUn protone in LHC Flusso sufficiente per rivelatori nello spazio (di area per forza limitata dal payload) Flusso che richiede lo studio in forma indiretta, tramite l’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera. Si osservano gli Sciami Atmosferici

25 25Planetario di Milano7/18/2015 L’aumento di energia richiede tecniche diverse Le energie più alte arrivano fino a eV, pari a 30 Joule ! L’energia di una persona di 60 kg che si sposti con una velocità di 1 m/s Una energia macroscopica concentrata in una particella elementare !

26 26Planetario di Milano7/18/2015 Alle immense energie di Auger (e del Telescope Array) non è ancora una astronomia. Non vi sono sorgenti identificate di Raggi Cosmici di Ultra-Alta Energia Principio di funzionamento del rivelatore Pierre Auger Rivelazione della fluorescenza atmosferica Rivelazione di impatto a Terra

27 27Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011 Rivelatore di superficie dell’Osservatorio Auger

28 28 5. Neutrini Planetario di Milano7/18/2015 Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Le particelle conosciute che hanno interazione più debole di tutte Una astronomia dei neutrini è già iniziata. Le sorgenti astronomiche di Neutrini note da tempo sono : La Terra - attraverso la radioattività naturale del mantello e della crosta. I neutrini vengono emessi dai decadimenti beta dei nuclidi radioattivi naturali Il Sole - attraverso le reazioni di fusione che avvengono nel nucleo. I neutrini vengono emessi nei processi deboli. La Supernova 1987A. I neutrini sono il modo più efficace col quale la stella perde la sua energia, cambiando di dimensione.

29 Planetario di Milano - 21 Febbraio Il caso del Sole Produzione di energia : al centro del Sole. Energia, fotoni, neutrini Energia associata ai fotoni: 200 mila anni di tempo per uscire dal Sole ! Energia associata ai neutrini ? I neutrini escono dal Sole in 2 secondi !

30 Planetario di Milano - 21 Febbraio Rivelazione di neutrini (esempio: Laboratorio Gran Sasso) I neutrini sono particelle elementari con altre particelle rivelabili per mezzo di urti nucleari Ad esempio: diffusione elastica sugli elettroni del mezzo Gli elettroni (carichi!) lasciano un segnale rivelabile Nel caso dei Neutrini Solari, raggiungono la Terra in 8 minuti

31 31Planetario di Milano7/18/2015 La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ANTARES al largo della Costa Azzurra.

32 32Planetario di Milano7/18/2015 Lo sviluppo di rivelatori sottomarini su grande scala è una affascinante sfida tecnologica

33 33Planetario di Milano7/18/2015 …e la risposta di questi rivelatore è una question «planetaria» (qui Superkamiokande situato in una miniera giapponese)

34 34Planetario di Milano7/18/2015 La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ICECUBE al Polo Sud. Rivelatore costituito da sensori di luce distribuiti a grande profondità nel ghiaccio antartico

35 35Planetario di Milano7/18/2015 ICECUBE : identificazione di Neutrini dal Cosmo ! "Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector," IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al. Science 342, (2013). DOI: /science neutrini cosmici segnano l’inizio della nuova astronomia a neutrini

36 36Planetario di Milano7/18/2015 Il grande vantaggio dei neutrini come «puntatori cosmici» : A causa della loro scarsa propensione a interagire con la materia, possono penetrare regioni dense dello spazio. A causa della loro neutralità elettrica possono propagarsi senza essere deviati dai campi magnetici della nostra galassia (ed extragalattici).

37 37 6. Onde Gravitazionali Planetario di Milano7/18/2015 Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali La Relatività Generale e’ la attuale migliore teoria della Gravitazione. La gravità è descritta come una proprietà geometrica dello spaziotempo. Massa Energia Rappresentazione dello spaziotempo

38 Il Radiatore Elettromagnetico (dipolo oscillante) Cariche in movimento emettono onde elettromagnetiche Scoperte da Hertz nel 1886 Radiatore gravitazionale (quadrupolo oscillante) Masse in movimento emettono onde gravitazionali Non ancora scoperte 38Planetario di Milano7/18/2015 Il meccanismo di emissione di onde gravitazionali

39 39Planetario di Milano7/18/2015 Onde Gravitazionali : perturbazioni dello spaziotempo dovute al movimento delle masse (energie). Si propagano alla velocità della luce. Esempio: due stelle di neutroni che orbitano rapidamente l’una intorno all’altra Ma quale è l’effetto di un’Onda Gravitazionale ? Perturbazione gravitazionale Tipica variazione della lunghezza L

40 40Planetario di Milano7/18/2015 Si tratta di un effetto in generale debolissimo: L’Interferometro italo-francese VIRGO (Cascina, Pisa) per la rivelazione delle Onde Gravitazionali

41 7/18/2015Planetario di Milano41 Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Riassumendo (penultima trasparenza): Quali (e quante) Astronomie per studiare il Cosmo ?! Nella sua maturità. Ma con sempre grandi margini di miglioramento (anche se fosse “solo” tecnologico. Ma non lo sarà mai). Iniziata e nella sua infanzia/adolescenza. Identificate molte sorgenti gamma. In fase di studio. Deve ancora nascere. Appena nata. Auguri! In fase di studio. Deve ancora nascere.

42 42Planetario di Milano7/18/2015 Grazie per la vostra attenzione Per concludere: uno sguardo al Cosmo intero Le nuove astronomie come radiazioni fossili dell’Universo primordiale: CMB (primi 300,000 anni di storia universale) Neutrini (primi 10 secondi di storia universale) Onde Gravitazionali (primi secondi di storia universale)


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