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Cortona 28 agosto 2005

Supernove, Buchi Neri e Supernove, Buchi Neri e Gamma Ray BurstGamma Ray Burst

Mario Vietri, Scuola Normale Superiore

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I primi BurstI 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

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Cosa sono i raggi X e Cosa sono i raggi X e Gamma?Gamma?

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Compton Gamma Ray Observatory-Compton Gamma Ray Observatory-BATSE (1991 – 2000)BATSE (1991 – 2000)

• 8 strumenti sugli spigoli dello spacecraft• Scintillatori di NaI

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Primi RisultatiPrimi Risultati

• Curve di luce molto diverse fra loro;• Alcune continue, altre irregolari• Le durate vanno da 0.01 secondi fino a 5000 secondi

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Lo zoo delle curve di luceLo zoo delle curve di luce

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Cosa sono, e dove sono?Cosa sono, e dove sono?

I Gamma Ray Burst sono distribuiti uniformemente su tutto il cielo.

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Confrontiamo i dati con la forma Confrontiamo i dati con la forma della Galassiadella Galassia

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……e con la distribuzione delle sorgenti non e con la distribuzione delle sorgenti non identificateidentificate

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Vicini o lontani?Vicini o lontani?

Implicazioni dell’isotropia della distribuzione:

Bisogna trovare l’afterglow.

Molto vicini: entro qualche parsec dal Sole:

A distanze cosmologiche:

A metà strada: nelle parti più esterne della Galassia

Dove sono i burst deboli?

Richiedono energie enormi: come è possibile?

Sembrava proprio la risposta giusta…. Ma…

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Un progresso, finalmente!Un progresso, finalmente!

Nel 1997, BeppoSAX rivela raggi X da un GRB,8 ore dopo l’esplosione, per la prima volta!

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

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L’immagine nell’otticoL’immagine nell’ottico

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Come facciamo ad essere sicuri che Come facciamo ad essere sicuri che sia lo stesso oggetto che si sta sia lo stesso oggetto che si sta spegnendo?spegnendo?

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L’immagine di Hubble/STIS, 7 mesi dopoL’immagine di Hubble/STIS, 7 mesi dopo

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GRB 990123GRB 990123

990123 raggiunse la nona magnitudine!

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Ora sappiamo laDistanza!

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Primo GRB rivelato da Terra, Primo GRB rivelato da Terra, simultaneamente!simultaneamente!

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E il secondo rivelato pure da TerraE il secondo rivelato pure da Terra

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Cosa sono?Cosa sono?

Hypernova Fusione di due stelle di neutroni

La rivelazione dei redshift ha mostrato che sono a distanze enormi, e dunque che producono quantità di energia enormi: cosa mai può produrli?

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Un breve ripasso di Evoluzione Un breve ripasso di Evoluzione stellarestellare

Le stelle piccoline come il Sole si spengono dolcemente

Le stelle massicce esplodono!

Puff!

Bang!

Bang!

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Come si genera una supernova?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.

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Perché le SuperNovae sono facili da Perché le SuperNovae sono facili da rivelare?rivelare?

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Stelle di NeutroniStelle di Neutroni

Massa: da 1.4 a 2.8 masse solariRaggio: 10 chilometriDensità: 1014 g/cm3 = nucleo atomicoCampo Magnetico: 1012 gauss (Terra = 1 gauss)Periodo di rotazione: da 1 millisec a10 secondi

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Le Pulsar sono stelle di neutroniLe Pulsar sono stelle di neutroni

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La nebulosa del GranchioLa nebulosa del Granchio

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I buchi neriI buchi neri

Massa: > da 3 volte a qualche miliardo di volte la massa del Sole

Un oggetto in cui la velocità di fuga è più grandedella velocità della luce

Ve = (2 G m / r)1/2

Raggio Schwarzschild = 2 G m/c2

Rs = 3 km for the Sun

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Ma se sono neri, come possono essere cosìMa se sono neri, come possono essere cosìluminosi da generare I GRB?luminosi da generare I GRB?

Dischi di accrescimento!

Un oggetto che vi cade dentro, può liberare fino al 10% dellasua massa di riposo in energia

1 bruscolino= bomba atomica(10 kilotons)

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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 alleviatose c’è BEAMING

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Come funziona nei dettagli? 1Come funziona nei dettagli? 1

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Come funziona nei dettagli? 2Come funziona nei dettagli? 2

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Come funziona nei dettagli? 3Come funziona nei dettagli? 3

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Cosa resta alla fine del processo?Cosa resta alla fine del processo?

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La connessione con la SuperNova: La connessione con la SuperNova: GRB 030329GRB 030329

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Abbiamo già finito? NO!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, comerichiesto 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.

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La distribuzione delle durate dei GRBLa distribuzione delle durate dei GRB

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In quale maniera una SuperNova generaIn quale maniera una SuperNova generaUn GRB?Un GRB?

Quello che sappiamo:

• 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?

• C’è una quantità enorme di energia disponibile

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Chi ci darà nuove informazioni?Chi ci darà nuove informazioni?

HETE-2

GLAST

Swift

REM