L’ASTROFISICA DEGLI OGGETTI COLLASSATI Attilio Ferrari Università di Torino 6 aprile 2005 Anno Mondiale della Fisica

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

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

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) Equazioni di Einstein

Un passo indietro: Newton La velocità di fuga vf: 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 Un satellite in orbita al limite dell’atmosfera ha velocità di 7.9 km/s

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

Equivalenza di massa ed energia: anche l’energia “sente” la forza gravitazionale 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” 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

L’orizzonte degli eventi L’espressione relativistica dell’orizzonte gravitazionale coincide formalmente con quella di Laplace 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 Per la Terra il limite è 1 cm, per il Sole 3 km

Orbite dei fotoni intorno a un BH 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 A R=RSch i fotoni ricadono entro il BH

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

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

Nane Bianche Sirio B

Catastrofi: eventi supernova Stelle massive (> 8 masse solari) La fusione nucleare produce l’energia 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: 1053 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

Pulsar e stelle di neutroni

Esistono 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 dell’orizzonte In termini di densità (corpi omogenei)

Strutture stellari di equilibrio

Nuclei galattici Le condensazioni centrali nei nuclei delle galassie sono presumibilmente BH perché contengono masse pari a 108 M entro raggi di dimensione del sistema solare 108 km Le densità non sono in tal caso molto grandi, ma la forza di gravità è enorme Il raggiungimento di questo stadio è ineluttabile (Rees)

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

Dischi di accrescimento, vortici gravitazionali Il materiale che cade, rilascia fino al 40% dell’energia di massa: E ~ 0.4 mc2 1 caramella = 10 kilotoni

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

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

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

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

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

Il modello disco - getto L’accrescimento 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 Associazione tra accrescimento sotto forma di dischi e getti collimati e persistenti Smulazioni di sistemi complessi nonlineari

I LAMPI GAMMA A Detective Story

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

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)

Che cosa sono mai ? L’astronomia 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 ?

Il “tormentone astronomico” Due elementi base per capire la natura di una sorgente celeste: dov’è e quant’è potente ? Ma sono strettamente legati nelle misure astronomiche ! 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 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

L’indagine 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

Il Compton Gamma Ray Observatory CGRO (1991-2000)

8 rivelatori agli angoli del satellite BATSE Each detector module contains two NaI(Tl) scintillation detectors: a Large Area Detector (LAD) optimized for sensitivity and directional response, and a Spectroscopy Detector (SD) optimized for energy coverage and energy resolution. 8 rivelatori agli angoli del satellite ad alta sensibilità, con risoluzione energetica e con risposta direzionale

OSSE The primary element of each of the four detector systems is the NaI(Tl) portion of a 330-mm diameter NaI(Tl)-CsI(Na) phoswich consisting of a 102-mm thick NaI(Tl) crystal optically coupled to a 76-mm thick CsI(Na) crystal. Each phoswich is viewed from the CsI face by seven 89-mm diameter photomultiplier tubes (PMTs), providing an energy resolution of 8% at 0.661 MeV.

Lo “zoo” dei lampi gamma

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

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

Serve un nuovo tipo di osservazioni The great debate (1995) Cosmologici o Galattici ? Fluence: 10-7 erg cm-2 s-1 Distanza: 1 Gpc Energia:1051 erg Distanza: 100 kpc Energia: 1043 erg Serve un nuovo tipo di osservazioni

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

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

990123: il primo afterglow (bagliore) ottico rivelato da HST immediatamente dopo il lampo gamma 990123 raggiunge la 9° magnitudine È associato con una galassia lontana Lo si sarebbe potuto osservare con un piccolo binocolo !

Il problema è ora energetico Se si tratta di oggetti lontani, quale può essere l’origine di tutta quell’energia ? Modelli: rilascio di energia gravitazionale Ipernova Supranova Coalescenza di stelle di neutroni

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 l’emissione del lampo è collimata in un fascio Ma i lampi gamma debbono essere ancora più numerosi

La Supernova Connection GRB011121 L’afterglow ottico decade come la curva di luce di una supernova

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

Queste osservazioni favoriscono il modello di supernova rispetto alla coalescenza Ma esistono varie classi di lampi 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 l’energetica effettiva: il “beaming relativistico”

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

A caccia dei “colpevoli” Swift HETE-2 GLAST AGILE

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

Modello di ipernova con getto e shocks

I colpevoli nascosti sono i buchi neri !