Le piu’ violente esplosioni INAF-Osservatorio Astronomico di Brera Istituto Nazionale di Astrofisica Osservatorio astronomico di Brera Universo in fiore Le piu’ violente esplosioni dell’Universo Gabriele Ghisellini gabriele.ghisellini@brera.inaf.it INAF-Osservatorio Astronomico di Brera data

Viviamo in un periodo fortunato… La nostra stella e’ tranquilla e la nostra atmosfera ci protegge, insieme al campo magnetico terrestre. Negli ultimi 10.000 anni il clima e’ stato relativamente stabile e questo ha favorito la nascita e lo sviluppo dell’agricoltura. Questo ha permesso di avere una buona riserva di cibo. E questo ha permesso che qualcuno potesse dedicarsi alla scienza. Ma in altre parti dell’Universo le cose non sono cosi’ tranquille….

La madre di tutte le esplosioni: il Big Bang 13.7 miliardi di anni fa…

0.01 secondi dall’inizio Temperatura=100 miliardi di gradi Si formano protoni, neutroni, elettroni e neutrini. Il protone e’ il nucleo dell’idrogeno. Quindi tutto l’idrogeno dell’Universo ha 13.7 miliardi di anni.

Nei primi 3 minuti si forma l’elio. Temperatura:~1miliardo di gradi Nei primi 3 minuti si forma l’elio. Temperatura:~1miliardo di gradi. Non si formano gli altri elementi.

dopo qualche miliardo di anni… i semi crescono 100 miliardi di galassie e proto-galassie, disposte in filamenti e “noduli”

e adesso… Ellittica Spirale Irregolare Peculiare

La via Lattea 100.000 anni luce Noi siamo qui ~100 miliardi di stelle

Ogni secondo, il Sole converte in energia una massa di 2 milioni di tonnellate (E=Mc2). Idrogeno  Elio Funziona da 5 miliardi di anni, e continuera’ per altri 4-5 miliardi, quando tutto l’idrogeno del nucleo (10%) sara’ stato “bruciato”. E poi?

Idrogeno  Elio nel nucleo

Nana bianca

Nana Bianca Raggio: 10.000 km (circa come la terra) Massa: 0.7 volte quella del sole Alta densità: 1 cucchiaino  1 tonnellata! All’inizio: 100.000 gradi (bianca). Poi si raffredda (nana bruna).

Il sole converte idrogeno in elio. E gli altri elementi Il sole converte idrogeno in elio. E gli altri elementi? Noi per esempio…

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65%

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65% carbonio 18%

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65% carbonio 18% idrogeno 10%

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65% carbonio 18% idrogeno 10% azoto 3%

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65% carbonio 18% idrogeno 10% azoto 3% calcio 1.5%

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65% carbonio 18% idrogeno 10% azoto 3% calcio 1.5% fosforo 1.2%

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65% carbonio 18% idrogeno 10% azoto 3% calcio 1.5% fosforo 1.2% potassio, zolfo cloro, sodio, magnesio, ferro, cobalto, rame, zinco, iodio, selenio, fluoro ~1% 99%

Noi siamo fatti di… 1 2 3 4 5 6 7 ossigeno 65% carbonio 18% idrogeno 10% azoto 3% calcio 1.5% fosforo 1.2% potassio, zolfo cloro, sodio, magnesio, ferro, cobalto, rame, zinco, iodio, selenio, fluoro ~1% 13.7 miliardi di anni 99%

Stelle come il Sole bruciano l’idrogeno del loro nucleo, ma non fanno elementi piu’ pesanti dell’elio. Non e’ stato il Sole a fare gli elementi che ci sono sulla Terra. Non e’ stato il Big Bang. Chi e’ stato?

Sole z Puppis Tipo: supergigante blu Distanza: ~1000 a.l. Massa: 50 Soli Luminosità: 60.000 Soli Raggio: 20 Soli Temperatura: 42.000° Eta’: ~ 4 milioni di anni Vita: ~ 6 milioni di anni

Dopo Prima Le stelle grandi sono a cipolla… Ogni guscio brucia un combustibile diverso e produce energia. Fino a quando si produce il ferro. Oltre no. “Il ferro non brucia”. Il combustibile finisce. E in fretta! (milioni di anni..)

gravita’ pressione

gravita’ pressione

gravita’ Nucleo di ferro

gravita’ Stella di neutroni

Onda d’urto

>10,000 km/s

Supernova 1987a

Supernova 1987a

Cas A ~1680 11000 anni luce

Keplero 1604 20000 anni luce

Tycho 1572 7500 anni luce

Granchio 1054 d.C. astronomi cinesi ~6500 anni luce

Siamo vecchi… L’idrogeno del nostro corpo ha 13.7 miliardi di anni Tutti gli altri elementi sono stati fatti in una stella di grande massa, esplosa piu’ di 5 miliardi di anni fa. Siamo polvere di stelle nel senso letterale del termine.

Jocelyn Bell (allora 24enne), dottoranda di Antony Hewish a Cambridge 4 Agosto 1967 Jocelyn Bell (allora 24enne), dottoranda di Antony Hewish a Cambridge bip

ROMA 10 km

Un cucchiaino: un miliardo di tonnellate Campo magnetico alla superficie: 1012 (=mille miliardi) di Gauss Terra: ~ 1 Gauss Magnetino da frigo: ~100 Gauss 10 km Non brucia. Come fa ad essere stabile? Rifiuto degli neutroni a stare vicini (meccanica quantistica)

Pulsar Granchio

Se la stella non e’ troppo pesante i neutroni riescono a sostenere la gravita’ Nucleo di ferro

Se la stella e’ piu’ pesante la gravita’ vince tutte le resistenze Buco nero Nucleo di ferro

ROMA 10 km 3 km

La materia continua a cadere sul buco nero neonato Una piccola parte della materia, invece, viene espulsa con grande energia. Si formano 2 getti in direzioni opposte, che “bucano” la stella ancora prima che scoppi. E’ il motore piu’ efficiente che conosciamo.

Gamma Ray Bursts, le esplosioni piu’ potenti dopo il Big Bang Quando esce dalla stella, il getto ha una velocita’ > 99.9995% della velocita’ della luce Gamma Ray Bursts, le esplosioni piu’ potenti dopo il Big Bang

e tutto in pochi secondi… Miliardi di anni luce… Record: GRB 090423. L’Universo aveva “appena” 630 milioni di anni La loro energia e’: Come 100 Supernovae Come il Sole per 3000 miliardi di anni Come tutta la nostra Galassia per 100 anni e tutto in pochi secondi…

Fanno male? Se scoppia una supernova o un gamma ray burst a meno di 10.000 anni luce da noi…. strato dell’ozono

fitoplancton

Eta Carinae: 7000 anni luce dalla Terra Probabilmente non ci sparera’ addosso…

Le sorgenti piu’ potenti si vedono anche se sono lontane. La loro luce ci arriva da un’epoca lontana, quando l’Universo era piu’ giovane. Possiamo usarle per misurare l’Universo? Si’.

L’Universo si espandera’ per sempre? Dal Big Bang l’Universo si sta espandendo Ma la gravita’ tende a frenare Piu’ massa c’e’, piu’ la gravita’ e’ grande

“Aperto” o “Chiuso”? Grande massa: gravita’ vince sull’espansione, che alla fine si ferma e l’Universo si ricontrae: Chiuso Piccola massa: l’espansione vince sulla gravita’ e l’Universo si espande per sempre: Aperto Fino al 1998 si pensava che queste fossero le uniche 2 possibilita’

Primo passo: candele standard Come lo scopriamo? Primo passo: candele standard L=100 W Brillante! Debole! vicino lontano

Come lo scopriamo? Secondo passo: Misuriamo la luce ricevuta da una candela standard. Cosi’ troviamo la distanza Misuriamo quando la luce e’ partita (in realta’ misuriamo lo spostamento verso il rosso della sua luce, il redshift)

Esempio: Supernova, 5 milardi di anni fa Brillante piccola espansione, tanta massa Debole grande espansione, poca massa “troppa” espansione ? Che diavolo succede??? Molto debole

piccola espansione, tanta massa Brillante, poca distanza Se una macchina continua a frenare, fara’ meno strada  la distanza tra noi e la supernova sara’ minore Tempo dal Big Bang

L’ Universo sta accelerando!!! “troppa” espansione ? Che diavolo succede??? Molto debole, grande distanza Se una macchina accelera, fara’ piu strada  la distanza tra noi e la supernova sara’ maggiore L’ Universo sta accelerando!!! Tempo dal Big Bang

Dark Energy… L’ Universo sta accelerando Perche’? Ci deve essere una nuova forma di energia (non massa!), la Dark Energy… Veramente bizzarra: mentre l’universo si sta espandendo, questa energia mantiene la sua densita’ costante (oppure addirittura aumenta): il totale quindi cresce come il volume. Piccolo esperimento... Quanta ce n’e’ adesso???

E il futuro?

?

Grazie dell’attenzione e arrivederci…

piccola espansione, tanta massa Brillante, poca distanza Se una macchina continua a frenare, fara’ meno strada  la distanza tra noi e la supernova sara’ minore Vel. di espansione Tempo dal Big Bang

“Open” or “Close”? Big issue up to 1998 Large density: gravity wins over expansion, that eventually stops and the Universe recontracts: Close Small density: expansion wins against gravity, and the Universe expands forever: Open Big issue up to 1998

Merging of NS+NS or NS+BH qjet = 0.1 rad; Ljet = 1050-1051 erg/s Long GRBs Short GRBs Collapsar (BH+disk) Merging of NS+NS or NS+BH magnetar B~1015 G The millisecond magnetar is a normal NS with a 1 up to 1.5 Msun and an intense magnetic field. The energy available is the rotational energy and it is emitted via dipole emission. The energy budget is satisfied to produce the GRB. However in this model, before the NS settle down to its maximal (millisecond) rotation, there is a phase of accretion (at a rate that can be even of 0.1 Msun/sec) which could lead to the formation of a BH, this must be prevented for this model to work. In the supranova model the delay of the NS to BH transition is regulated by the magnetic field. If normal the timescale is one year, it can be much lower if the B is very high (magnetar like). However, the model was proposed because it can make a clear (baryon free environment) due to the long delay between the SN explosion and the BH formation. About 10-20% of the NS does not form the balck hole but settles into a disk. Then the model for the GRB production is similar to the collapsar. The advantage of the collapsar model is that it can power the GRB for very long time through fallback. This seems to be a requirement in the latest years since the discovery of long emission from GRBs (Flares and tails)

The Universe is accelerating!!! Distances are large… too large distance Saul Perlmutter The Universe is accelerating!!! Redshift

This is not a Doppler shift ! The wavelength l of the photon is stretched as the Universe expands: REDSHIFT z z = Dl/l 1+z = Rnow/Rthen This is not a Doppler shift !

L’universo bambino: appena 300.000 anni di eta’… Semi delle future galassie piccole differenze di temperatura (una parte su un milione). Piccole, ma importanti…

Supernova 1987a 150.000 anni luce