Raggi X e Raggi γ dalle Stelle Enrico Virgilli Attività di Stage Nel laboratorio di Astrofisica Dipartimento di Fisica Università di Ferrara
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Raggi X e Raggi γ dalle Stelle
Enrico Virgilli
Attività di Stage Nel laboratorio di Astrofisica
Dipartimento di Fisica Università di Ferrara
Circa 70 anni fa lo scenario cambia improvvisamente e si scopre che esiste una Astronomia non ottica !!!
1933: astronomia radio 1962: astronomia X 1964: astronomia microonde
Perché così tardi ?
1 - Molte bande sono schermate dall’atmosfera 2 - Non se ne sospettava l’esistenza (le prime sorgenti invisibili a occhio nudo sono state scoperte per caso) 3 - Problemi osservativi
Assorbimento atmosferico
Onde radio e
Microonde
A 350-400 km di altezza c’e’ la “ionosfera” prodotta dagli UV del sole che interagiscono con gli atomi
L’ infrarosso:
apparecchi di visione notturna
La “luce visibile”
300 – 800 nm Ultravioletti:
UVA, UVB, UVC. Il sole emette UVA
e UVB ma l’assorbimento
atmosferico lascia passare
solo gli UVA.
Ma concentriamoci sull’ultima e piu’ energetica porzione dello
Spettro elettromagnetico.
Quella che compete ai raggi X e Gamma
Raggi X:
Gamma (γ):
Astronomia X e γ: INTEGRAL
JEM-X immagini e spettri 3– 30 keV ISGRI imamagini: 15 keV – 10 MeV SPI spettrometro: 20 keV – 8 MeV
OMC: telescpio ottico
L’Astrofisica delle alte energie (raggi X e γ) deve essere fatta da satellite.
DOMANDA: PERCHE?
Sono richieste strumentazioni diverse da quelle
utilizzate per l’Astrofisica delle basse energie
La seconda sorgente X scoperta (Scorpius X-1) fu rivelata nel 1962
da un team guidato da Riccardo Giacconi.
DOMANDA: PERCHE’ LA SECONDA?
Le missioni X e γ presenti e passate
1960 0 ( o 1 se contiamo il Sole) 1962 1 sorgente (esperimento Rocket ) 1965 10 sorgenti (esperimento Rocket) 1970 60 sorgenti (Rocket ed esperimenti da pallone) 1974 160 sorgenti (terzo Catalogo Uhuru ) 1 680 sorgenti (Catalogo di Amnuel ) 1984 840 sorgenti (catalogo HEAO A-1) 1990 8000 sorgenti (Cataloghi Einstein e EXOSAT) 1 220000 sorgenti (Catalogo ROSAT ) 2007 piu’ di 550000 sorgenti!! (satellite XMM-Newton)
Sorgenti X scoperte fino ad oggi
Sorgenti γ scoperte fino ad oggi
1967 0 sorgenti 1970 1-2 sorgenti Rocket ed esperimenti da pallone 1973 6 sorgenti SAS-2 1977 13 sorgenti COS-B 1981 25 sorgenti COS-B 1994 50 sorgenti (primo Catalogo Egret) 1995 128 sorgenti (secondo catalogo Egret) 1999 309 sorgenti (Catalogo Gehrels) 2002 420 sorgenti (secondo Catalogo Gehrels) 2010 10900 sorgenti (predetto numero di rivelazioni di GLAST)
Quali sono gli oggetti astronomici che emettono raggi X o raggi γ?
Emettono solo raggi X o γ o anche in altre bande?
Sono lontani o vicini?
La maggior parte degli oggetti astronomici emettono in diverse bande di energia:
I contorni in bianco sono le rivelazioni X (satellite RXTE). Sovrapposto ad una bella immagine in infrarosso (vedi sotto)
(Sopra) nell’ottico e (sotto) nella banda gamma
Il telescopio ottico VLT e al centro un immagine X fatta con Chandra. Si vede un buco nero supermassivo che in ottico non si nota. Galassia NGC 1365 (a spirale barrata). D= 56 milioni di A.L.
Sombrero Galaxy in diverse bande: 28 milioni di anni duce dalla terra: Chandra Hubble S. T Spitzer S. T.
M31: la Galassia di Andromeda Nell’Ottico, nell’ IR (in basso) e nella banda X (in alto a dx)
Il Sole: nell’ottico, nell’ infrarosso (a dx in alto) e nell’ X (in basso). Attenti alle macchie solari, perche’ sono scure?
Non solo gli oggetti densi emettono raggi X. Anche le polveri che circondano gli astri (polveri interstellari) .
Occupano tutto lo spazio fra le stelle all’interno di una galassia.
“mezzo interstellare” = gas interst. (99%) + polveri interst.
Quando la polvere interstellare incontra il vento stellare e la
radiazione, viene modellata fino a mostrare strani disegni. La
nebulosa testa di cavallo si trova nella piu’ complessa nebulosa di
Orione. In basso a sinistra la nebulosa NGC 2023.
Parliamo di Buchi neri e stelle di neutroni Un po’ di Evoluzione Stellare… 100000 atomi al cm3 à protostella 15 milioni di gradi Celsius Inizia la fusione: deuterio + deuterio à elio
Nana Bianca Elettroni al lavoro!! Temperatura superficiale 100000 K Raggio= raggio terrestre Densita’ = 1 tonnellata al cm3
Stella di neutroni: Neutroni al lavoro! Massa tipica 1.3-2.2 masse solari Raggio= 10-15 km (!!) Densita’ 10^14 volte il sole, densita’ atomica Immagine Chandra della Crab Nebula, esplosione che ha portato alla formazione di una stella di neutroni.
Le dimensioni nei confronti della Terra
Un possibile scenario
Come sono fatti i telescopi per vedere i raggi X?
Non cosi’!!!
Luce UV - IR
Radio
Raggi X e γ
Caratteristiche di una missione per astrofisica X e γ
Capacità di risolvere le singole parti di un oggetto
o di distinguere i vari oggetti nel cielo
Capacità di osservare un oggetto su un ampio
intervallo di lunghezze d’onda
Copertura spettrale
Imaging
Capacità di risolvere le componenti dello
spettro
a diverse lunghezze d’onda
Sensibilità
Risoluzione energetica
Capacità di raccogliere i fotoni
I raggi X e γ sono molto energetici e non possono essere semplicemente riflessi da uno specchio, perché lo attraverserebbero
Per energie fino ai 10 keV si usa la tecnica di DEFLESSIONE
Tecnica di focalizzazione utilizzata dal satellite dell’Agenzia Spaziale Europea XMM-Newton, il telescopio a raggi X più sensibile mai costruito
operante nella banda 0.1-12 keV
Scintillatori e fotomoltiplicatori
Il maggior successo dell’Astrofisica delle Alte Energie
BeppoSAX
Quattro strumenti a piccolo campo (0.1-200 keV) Due rivelatori a grande campo (3-30 keV) Un Gamma Ray Burst monitor (60-600 keV)
MECS: spettri e immagini
PDS (spettri alta energia) LECS: spettri e immagini
HP (spettri alta energia)
Gli strumenti a bordo di BeppoSAX
MECS: spettri e immagini
LECS: spettri e immagini
MECS: spettri e immagini
LECS: spettri e immagini
I Gamma Ray Bursts: il fenomeno più energetico dell’Universo dopo il Big Bang
Il primo studio sistematico dei GRB: l’esperimento BATSE a bordo di CGRO
1997: SAX determina la posizione di un GRB. Emissione X e ottica
8/3
28/2
3/3
Telesc. Spaz.
Possibile l’identificazione
Una grossa scoperta sull ’origine dei GRB con BeppoSAX
28 Febbraio 1997
Il GRBM e le WFC rivelano un segnale con una precisione di 3 minuti d’arco
Dopo 8 ore vengono puntati gli strumenti a campo stretto che scoprono una nuova STELLA! SAX J10501+1164
Scoperta del primo
afterglow X
Caratteristiche principali dei GRB Oggetti comsologici!!!!!! (alto red-shift, z) Oggetti più luminosi del Cosmo: 1054 erg ( Msole c2) Emissione: 0.5 – 5.000 MeV !!!!!!!!!! Durata: GRB corti 0.001 – 2 s (media 0.3 s) GRB lunghi 2 – 1000 s (media 30 s) Afterglow a frequenze X e ottiche : alcuni giorni Frequenza: 1 al giorno
Tipici GRB: curve di luce
Il satellite INTEGRAL dell’ESA (3 keV – 1.5 MeV)
I nostri strumenti per indagare le
caratteristiche delle stelle che emettono
Raggi X e gamma:
1 Curve di luce
2 Immagini in falsi colori
3 Spettri
Cos’ è una curva di luce?
Curva di luce di un GRB
Curva di luce di un sistema binario…
1 a eclisse ;
2 visuale.
Curva di luce di un sistema binario
a eclisse
Curva di luce
Immagini in banda X
Le Pleiadi
Coma Cluster (ROSAT)
Le “maschere codificate” come
Trucco per creare le immagini
Per ciascuna direzione di incidenza dei fotoni si produce una differente ombra
sul rivelatore
Emissione termica 1 - Corpo nero: Oggetti otticamente spessi 2 - ‘Termico’ : Gas ionizzati (alta T) otticamente sottili
Ogni corpo caldo emette radiazione: Il corpo umano a 36 C ; Il sole a 6000 K ; Le stelle di neutroni a 100000000 K !!!
Emissione non termica: particelle relativistiche Campo Magnetico B: Sincrotrone
Campo Radiazione U: Compton Inverso
Sincrotrone
Compton
Emissione di Righe 1 - Atomi molto ionizzati: elementi pesanti (O, Si, Ne, Fe) in gas caldo (X) 2 - Rotazione e vibrazione di molecole (IR, microonde) 3 - Transizione di spin in atomo di H (λ=21 cm)
Spettro X di Cassiopea A
Spettri BeppoSAX
INTEGRAL
RXTE
Qual è il modello giusto…
Corona intorno alla stella?
…oppure…
Corona intorno al disco ?
Processo fisico
Effetti (fotoni,particelle)
Rivelatore
Dati osservati
Interpretazione degli osservabili (modelli)
Pubblicazione dei risultati
Congressi Discussioni con la comunità,
proposte di teorie alternative, o più complete
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