Supernove, Buchi Neri e Gamma Ray Burst Mario Vietri, Scuola Normale Superiore Cortona 28 agosto 2005

I primi Burst I satelliti Vela furono lanciati negli anni 60 per verificare l’assenza di esplosioni nucleari nell’atmosfera 5 (o più) satelliti contemporanei: permetteva di determinare la posizione dell’esplosione Nel 1969, dati del 1967 mostrano un’esplosione chiaramente non terrestre 16 bursts vengono trovati fra il 1969 ed il 1972 Cortona 28 agosto 2005

Cosa sono i raggi X e Gamma? A gamma ray is the highest energy of light. As you can see here it has an incredible amount of energy. You can also see that the frequency is inversely proportional to the wavelength. Cortona 28 agosto 2005

Compton Gamma Ray Observatory- BATSE (1991 – 2000) 8 strumenti sugli spigoli dello spacecraft Scintillatori di NaI 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. Cortona 28 agosto 2005

Primi Risultati Curve di luce molto diverse fra loro; Alcune continue, altre irregolari Le durate vanno da 0.01 secondi fino a 5000 secondi Cortona 28 agosto 2005

Lo zoo delle curve di luce Cortona 28 agosto 2005

Cosa sono, e dove sono? I Gamma Ray Burst sono distribuiti uniformemente su tutto il cielo. Cortona 28 agosto 2005

Confrontiamo i dati con la forma della Galassia Cortona 28 agosto 2005

…e con la distribuzione delle sorgenti non identificate Cortona 28 agosto 2005

Vicini o lontani? Bisogna trovare l’afterglow. Implicazioni dell’isotropia della distribuzione: Molto vicini: entro qualche parsec dal Sole: Dove sono i burst deboli? A distanze cosmologiche: Richiedono energie enormi: come è possibile? A metà strada: nelle parti più esterne della Galassia Sembrava proprio la risposta giusta…. Ma… Bisogna trovare l’afterglow. Cortona 28 agosto 2005

Un progresso, finalmente! Nel 1997, BeppoSAX rivela raggi X da un GRB, 8 ore dopo l’esplosione, per la prima volta! Cortona 28 agosto 2005

Perché è stato possibile il successo di SAX Perché è stato possibile il successo di SAX? 1) Strumenti a grande e a piccolo campo 2) Strumenti X, non gamma Cortona 28 agosto 2005

L’immagine nell’ottico Cortona 28 agosto 2005

Come facciamo ad essere sicuri che sia lo stesso oggetto che si sta spegnendo? Cortona 28 agosto 2005

L’immagine di Hubble/STIS, 7 mesi dopo Cortona 28 agosto 2005

GRB 990123 990123 raggiunse la nona magnitudine! Cortona 28 agosto 2005

Ora sappiamo la Distanza! Cortona 28 agosto 2005

Primo GRB rivelato da Terra, simultaneamente! Cortona 28 agosto 2005

E il secondo rivelato pure da Terra Cortona 28 agosto 2005

Cosa sono? La rivelazione dei redshift ha mostrato che sono a distanze enormi, e dunque che producono quantità di energia enormi: cosa mai può produrli? Hypernova Fusione di due stelle di neutroni Cortona 28 agosto 2005

Un breve ripasso di Evoluzione stellare Puff! Bang! Bang! Le stelle piccoline come il Sole si spengono dolcemente Le stelle massicce esplodono! Cortona 28 agosto 2005

Come si genera una supernova? Ci vuole una stella massiccia (>8 masse solari) La fusione termonucleare genera calore La Gravità equilibra la pressione La fusione genera una cipolla Nel nucleo si accumula ferro Ma la fusione del ferro assorbe energia, non ne libera! Siccome il sistema non genera più pressione, vince la gravità: ne segue un collasso, che libera 1053 ergs = 100,000 volte tutta l’energia liberata dal Sole in tutta la sua vita Risultato: stella di neutroni, o buco nero. Cortona 28 agosto 2005

Perché le SuperNovae sono facili da rivelare? Cortona 28 agosto 2005

Massa: da 1.4 a 2.8 masse solari Raggio: 10 chilometri Stelle di Neutroni Massa: da 1.4 a 2.8 masse solari Raggio: 10 chilometri Densità: 1014 g/cm3 = nucleo atomico Campo Magnetico: 1012 gauss (Terra = 1 gauss) Periodo di rotazione: da 1 millisec a 10 secondi Cortona 28 agosto 2005

Le Pulsar sono stelle di neutroni Cortona 28 agosto 2005

La nebulosa del Granchio Cortona 28 agosto 2005

I buchi neri Un oggetto in cui la velocità di fuga è più grande della velocità della luce Ve = (2 G m / r)1/2 Raggio Schwarzschild = 2 G m/c2 Rs = 3 km for the Sun Massa: > da 3 volte a qualche miliardo di volte la massa del Sole Cortona 28 agosto 2005

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Ma se sono neri, come possono essere così luminosi da generare I GRB? Dischi di accrescimento! Un oggetto che vi cade dentro, può liberare fino al 10% della sua massa di riposo in energia 1 bruscolino = bomba atomica (10 kilotons) Cortona 28 agosto 2005

Cortona 28 agosto 2005

Così, una SuperNova che forma una stella di neutroni oppure un buco nero è un candidato ideale per generare un GRB Ma il problema energetico è ulteriormente alleviato se c’è BEAMING Cortona 28 agosto 2005

Come funziona nei dettagli? 1 Cortona 28 agosto 2005

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Come funziona nei dettagli? 2 Cortona 28 agosto 2005

Come funziona nei dettagli? 3 Cortona 28 agosto 2005

Cosa resta alla fine del processo? Cortona 28 agosto 2005

La connessione con la SuperNova: GRB 030329 Cortona 28 agosto 2005

Abbiamo già finito? NO! I dati mostrano che ci sono 2 tipi di GRB Quelli che durano meno di 2 secondi Quelli che durano più di 2 secondi I bursts più brevi producono radiazione più dura, come richiesto dal modello della fusione di 2 stelle di neutroni. I bursts più lunghi invece producono radiazione più soffice, come predetto dal modello di HyperNova Chiaramente, ci vogliono nuovi dati. Cortona 28 agosto 2005

La distribuzione delle durate dei GRB Cortona 28 agosto 2005

In quale maniera una SuperNova genera Un GRB? Quello che sappiamo: C’è una quantità enorme di energia disponibile I raggi gamma sono creati dall’ interazione fra il Materiale espulso e quello circostante. La materia viene accelerata fino al 99.999% di quella della luce Si deve anche avere un bel po’ di BEAMING? Cortona 28 agosto 2005

Chi ci darà nuove informazioni? REM HETE-2 GLAST Swift Cortona 28 agosto 2005