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Osservazioni di Nuclei Galattici Attivi con ARGO-YBJ Candidato Maria Luigia Chiarappa Relatore Dott.ssa Silvia Vernetto Luglio 2004.

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1 Osservazioni di Nuclei Galattici Attivi con ARGO-YBJ Candidato Maria Luigia Chiarappa Relatore Dott.ssa Silvia Vernetto Luglio 2004

2 Lastronomia gamma Lastronomia dei raggi gamma, lo studio dei raggi cosmici di alta energia e lastronomia dei neutrini cosmici costituiscono quel campo della ricerca che è detto astrofisica delle alte energie. Il termine raggio gamma si usa per identificare la radiazione elettromagnetica di energia maggiore di circa 1 MeV.

3 Radiazione Gamma Lampio intervallo di energia implica luso di diverse tecniche sperimentali per la rivelazione. SatellitesCerenkov Telescopes EAS arrays 1 MeV 1 GeV 1 TeV 1 PeV 1 Eev

4 Tecniche di rivelazione Rivelatori su satelliti: usati per rivelare raggi γ con unenergia compresa tra ~ 1 MeV e alcune decine di GeV. Rivelatori su satelliti: usati per rivelare raggi γ con unenergia compresa tra ~ 1 MeV e alcune decine di GeV. Telescopi Cerenkov (ACT): usati nellintervallo di energia che va da ~ 100 GeV a ~ 100 TeV. Gli ACT rivelano la radiazione Cerenkov prodotta nellatmosfera dalle particelle relativistiche secondarie cariche degli sciami elttromagnetici prodotti dai raggi gamma primari. Telescopi Cerenkov (ACT): usati nellintervallo di energia che va da ~ 100 GeV a ~ 100 TeV. Gli ACT rivelano la radiazione Cerenkov prodotta nellatmosfera dalle particelle relativistiche secondarie cariche degli sciami elttromagnetici prodotti dai raggi gamma primari. Apparati a sciame: costituiti da numerosi rivelatori distribuiti su una superficie in grado di rivelare il passaggio del fronte dello sciame; lavorano ad energie al di sopra di ~ 10 TeV. Apparati a sciame: costituiti da numerosi rivelatori distribuiti su una superficie in grado di rivelare il passaggio del fronte dello sciame; lavorano ad energie al di sopra di ~ 10 TeV.

5 Apparati a sciame di nuova generazione Un apparato a sciame può lavorare nellintervallo di energia dei telescopi Cerenkov (energia dei primari E > 100 GeV) con queste due tecniche: utilizzando una copertura totale di rivelazione (full coverage) in modo da poter osservare anche sciami molto piccoli ( ~ particelle). utilizzando una copertura totale di rivelazione (full coverage) in modo da poter osservare anche sciami molto piccoli ( ~ particelle). lavorando ad alta quota (h > 4000 m) in modo da osservare lo sciame più vicino al suo massimo sviluppo. lavorando ad alta quota (h > 4000 m) in modo da osservare lo sciame più vicino al suo massimo sviluppo.

6 Esperimento ARGO-YBJ Laboratorio di Raggi Cosmici di Yangbajing (Tibet, Cina) Laboratorio di Raggi Cosmici di Yangbajing (Tibet, Cina) 4300 m s.l.m m s.l.m. 30,1° latitudine Nord 30,1° latitudine Nord

7 Sito di ARGO-YBJ ARGO-YBJ Yangbajing village 4300 m

8 Rivelatore: tappeto di Resistive Plate Counters (RPCs) coperto da 0,5 cm Pb Area totale: 6700 m 2 Full coverage carpet 78 x 75 m 2 circondato da un anello 111 x 99 m 2 Il Rivelatore

9 Mappa delle sorgenti (E ~ 1 TeV) Galactic sources 3 (1) Pulsar nebulae (plerions) 3 (1) Supernova remnants 1 (0) X-ray binary 1 (0) OB association Extragalactic sources 8 (6) AGNs (blazars) 1 (0) Starburst Galaxy 1 (0) Radio Galaxy In 2004 : 18 sources ( 8 seen by more than one group )

10 Nuclei Galattici Attivi (AGN) Per Nucleo Galattico Attivo (AGN) si intende la regione centrale di una galassia la cui emissione di radiazione non è ascrivibile ai normali processi stellari. La luminosità tipica è erg/s, questa potenza è dovuta allaccresimento di materia attorno ad un buco nero supermassivo (10 8 M o ) posto al centro della galassia. Caratteristiche degli AGN: nucleo con alta luminosità nucleo con alta luminosità L > erg/s L > erg/s (nostra Galassia: L ~ erg/s) (nostra Galassia: L ~ erg/s) spettro non termico spettro non termico grande variabilità della luminosità grande variabilità della luminosità

11 Esistono diversi tipi di AGN: Radio-loud: costituiscono il 10% degli AGN. Sono caratterizzati dalla presenza di due getti relativistici di materia e radiazione che si estendono simmetricamente dalla regione centrale per centinaia di parsec. Radio-loud: costituiscono il 10% degli AGN. Sono caratterizzati dalla presenza di due getti relativistici di materia e radiazione che si estendono simmetricamente dalla regione centrale per centinaia di parsec. Radio-quiet: costituiscono il 90% degli AGN, sono deboli sorgenti radio. Radio-quiet: costituiscono il 90% degli AGN, sono deboli sorgenti radio. Di particolare importanza per la gamma astronomia sono i blazars: AGN Radio- loud i cui getti relativistici sono diretti verso di noi. Radio quiet (90%) Seyfert Galaxies Quasars Radio Loud (10%) Radio Galaxies Radio Quasars Blazars

12 Processi fisici che producono Raggi Gamma Bremsstrahlung : processo di emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un elettrone nel campo elettrico di un nucleo atomico. Bremsstrahlung : processo di emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un elettrone nel campo elettrico di un nucleo atomico. Radiazione di sincrotrone : radiazione emessa da un elettrone relativistico sotto leffetto di un campo magnetico. Radiazione di sincrotrone : radiazione emessa da un elettrone relativistico sotto leffetto di un campo magnetico. Effetto Compton inverso: un elettrone di alta energia diffonde su un fotone di bassa energia trasformandolo in un fotone di energia molto maggiore. Effetto Compton inverso: un elettrone di alta energia diffonde su un fotone di bassa energia trasformandolo in un fotone di energia molto maggiore. Interazione adroniche: I raggi gamma prodotti nei processi adronici provengono essenzialmente dal decadimento del pione neutro. Interazione adroniche: I raggi gamma prodotti nei processi adronici provengono essenzialmente dal decadimento del pione neutro.

13 Emissione dei blazar 1° picco: radiazione di sincrotrone 1° picco: radiazione di sincrotrone 2° picco: effetto Compton Inverso 2° picco: effetto Compton Inverso Modello Synchrotron Self Compton (SSC): MRK 421 MRK 421 MRK 501 Curva di luce in gamma di alta energia Curva di luce in gamma di alta energia

14 AGN analizzati Sorgenti extragalattiche osservate ai TeV da telescopi Cerenkov Sorgenti extragalattiche osservate ai TeV da telescopi Cerenkov Catalogo dei BL Lac candidati per lemissione ai TeV di L. Costamante e G. Ghisellini (A&A 384,56,2002) Catalogo dei BL Lac candidati per lemissione ai TeV di L. Costamante e G. Ghisellini (A&A 384,56,2002) Catalogo Blazars osservati in X da BeppoSax Catalogo Blazars osservati in X da BeppoSax Abbiamo selezionato sorgenti con declinazione compresa tra -9,89° e +70,11°, perché questi oggetti culminano alla latitudine di ARGO con angolo zenitale inferiore ai 40°.

15 Spettro in energia di 1ES

16 Log frequency υ [Hz] υ f( υ ) υ f( υ ) erg cm -2 s -1 Distribuzione del flusso di energia corrispondente al picco di sincrotrone Log frequency υ [Hz] υ f( υ ) υ f( υ ) erg cm -2 s -1 BL lacs QSO Dopo la selezione (E > Hz) sono rimasti 18 blazar candidati allemissione ai TeV Log frequency υ [Hz] υ f( υ ) υ f( υ ) erg cm -2 s -1 Distribuzione del flusso di energia corrispondente al picco di sincrotrone Log frequency υ [Hz] υ f( υ ) υ f( υ ) erg cm -2 s -1 BL lacs QSO

17 39 Sorgenti studiate Nome sorgenteDeclinazioneRedshift M8712,210, ,900,018 MRK 42138,130,031 MRK 50139,750,034 1ES234451,400,044 1ES ,000, ,700, ,200,055 BL Lacertae42,000,069 1ES ,600,084 1ES ,500,086 EXO ,200,124 H142642,800,129 1H ,180, ,370, ,400, ,000, ,200,139 1ES ,210,141 1H ,420, ,200, ,400,182 1ES ,840,188 MS ,760,190 Nome sorgenteDeclinazioneRedshift ,600,200 EXO ,300,237 EXO ,720,237 1ES ,130,272 1ES ,350,272 1H ,090,287 MS ,570,299 OJ287/ ,300,306 1ES ,620,314 PG ,300,360 1ES ,890,361 3C66A42,480,444 1H ,420,702 1RXSJ ,710,770 1ES ,340,890

18 Distribuzione dei redshift dei 39 oggetti

19 Valutazione della sensibilità di ARGO nelle osservazioni di AGN 1)Modello di spettro di AGN: spettro di potenza con assorbimento dovuto alla radiazione di background extragalattico (infrarosso, ottico) [Jager and Stecker, ApJ 566, 738, 2002] 2) Simulazione del cammino giornaliero della sorgente sulla volta celeste (angolo zenitale < 40°) AGN con declinazione intorno a 25°- 50° sono visibili per più tempo da ARGO

20 3) Simulazione del flusso di raggi gamma dallAGN e risposta del rivelatore 4) Valutazione del numero di eventi giornalieri attesi sul rivelatore (sciami con almeno 100 particelle): - dalla sorgente - dalla sorgente - dal fondo dei raggi cosmici - dal fondo dei raggi cosmici 5) Confronto del segnale con il fondo Valutazione del flusso necessario per osservare la sorgente con significatività statistica maggiore uguale a 5 sigma (σ)

21 MRK 421 H MRK 501 1ES ES Crab Nebula Flux Minimo flusso osservabile in 1 anno di misura

22 AGN z Flusso (Crab units) MRK MRK ES ES – 5 1ES AGN osservati ai TeV

23 Abbiamo valutato la sensibilita di ARGO nellosservazione di Nuclei Galattici Attivi di tipo blazar. In un anno di osservazione ARGO ha una sensibilita pari a frazioni di flusso Crab per AGN a basso redshift. La sensibilita diminuisce con la distanza a causa dellassorbimento dei fotoni gamma nello spazio extragalattico. Grazie al suo ampio campo di vista (1.5 sr) ARGO puo monitorare con continuita il flusso delle sorgenti piu vicine e rivelare eventuali periodi di alta attivita degli AGN piu lontani. Conclusioni


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