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