Prof. FIORE

Un viaggio nell’Universo
nell Universo
violento
Fabrizio Fiore
http://www.oa-roma
http://www. oa-roma.inaf inaf.it/ .it/∼fiore fiore

il viaggio comincia…..
comincia ..
Questa e' una immagine del cielo come
capita di vederlo in una bella nottata estiva.
Riconoscete facilmente le costellazioni
principali. Le potete riconoscerle perche' la
brillantezza delle stelle che le formano e'
sempre la stessa.
Che succederebbe se la brillantezza delle
stelle variasse di 2, 10, 100 volte da una
notte all'altra? Non potreste riconoscere
nessuna costellazione!
Il cielo sarebbe sempre diverso,
impredicibilmente diverso. Ad esempio non
servirebbe piu' per potersi orientare la
notte sul mare.

Proprio questo e' quello che succederebbe se i vostri occhi fossero sensibili ai
raggi X invece che alla luce visibile. Ed e' di questo che ci occuperemo nel
seguito di questo viaggio. Se i nostri occhi occhi fossero sensibili alla
radiazione X, allora lo spettacolo che vedrebbero e' forse simile a quello di
questo famoso dipinto di Van Gogg, Starry Night. Questo pittore era tanto
visionario da vedere come gli sarebbe apparso il cielo violento dei raggi X!

Molti dei corpi celesti di cui avete visto immagini in luce visibile emettono anche
quantita' copiose di raggi X e gamma.
Gli stumenti con cui si effettuano osservazioni nei raggi X non possono essere basati
a terra, a causa dell'assorbimento dei raggi X da parte dell'atmosfera terrestre.
Questi strumenti sono collocati oggi su satelliti artificiali in orbita attorno alla Terra.
Dal 30 Aprile 1996 al 30 Aprile del 2002 ha
funzionato egregiamente per osservazioni nei
raggi X il satellite Italiano BeppoSAX
Oggi sono in funzione i satelliti Chandra, Swift e
Fermi della NASA e XMM-Newton e INTEGRAL
dell’ESA

….ma .ma cosa sono questi raggi X?
I raggi X e gamma sono un tipo di luce, ma rispetto alla luce visibile hanno una
lunghezza d'onda molto minore. Ad esempio, la luce blu ha una lunghezza
d’onda minore della luce rossa. I raggi X hanno una lunghezza d’onda molto
molto minore della luce blu.

Siccome l'energia associata ad una radiazione e' inversamente proporzionale
alla sua lunghezza d’onda, i raggi X sono molto piu' energetici, molto
piu caldi, della luce visibile, sia di quella rossa che di quella blu.

Variabilita’
La maggior parte delle sorgenti che emettono raggi X e' altamente variabile nel tempo. Come mai?
La risposta e' semplice: le regioni da cui provengono i raggi X in queste sorgenti sono
piccole! E la capacita’ di una stella di variare nel tempo di intensita’ e’ correlata con le sue
dimensioni.
Prendiamo in considerazione stelle formata da 1 o da 2 o da 10 o da 100 o da 1000 lampadine.
Colleghiamo ogni lampadina a un interruttore e poi chiediamo a un gruppo di bambini di accendere
e spegnere a caso l’interruttore.
La stella di 1 lampadina la vedremo cambiare intensita' della luce del 100% su un tempo scala
tipico che e' quello dell'istinto del bambino che comanda l'interruttore. La stella con 2 lampadine
sara' abbastanza simile, solo le variazioni non saranno sempre da tutto accesso a tutto spento, ma
ci saranno dei passi intermedi, quelli in cui solo una lampadina e' accesa.
La stella con 10 lampadine sara' abbastanza diversa. Sara' molto raro che tutti e 10 i bambini
spengano o accendano nello stesso momento i loro interruttori! e molto piu' comune una situazione
nella quale, 5 interruttori sono accesi e 5 spenti: variazioni saranno meno grandi, di ampiezza
minore, Nel caso di 100 o 1000 lampadine, sara' praticamente impossibile vedere la stella tutta
accesa o tutta spenta. in media ci saranno o 50 o 500 lampadine accese, e non si vedrenno grandi
variazioni nel tempo. Eccetto su tempi molto lunghi, quelli per i quali i bambini andranno a dormire
o faranno colazione!
Stelle piccole e poco luminose (1 o 2 lampadine) variano moltissimo e rapidamente!
stelle grandi e molto luminose (in questo esperimento) cambiano poco e su tempi scala
lunghi.

Dimensioni
Raggio della terra = 6378 km
Raggio del sole = 700mila km = 109 volte quello della terra
Dimensioni sistema solare = 1.5 10 13 cm = 150 milioni di km
Dimensioni di una galassia = 10 kpc = 300 milioni di miliardi di km
Raggio stella di neutroni di massa solare = 15 km
Raggio buco nero massa solare = 10 km
Raggio buco nero di massa 100 milioni di soli = 10 13 cm = dimensioni sistema solare

Come si producono i raggi X?
E' esperienza di tutti i giorni che se scaldate un filo di metallo o tramite
una fiamma o facendo passare corrente elettrica nel filo, come in una
lampadina, questo comincia diventare sempre piu' incandescente e
comicia ad essere luminoso. Cioe' ad emettere luce "visibile". I raggi X
sono luce estremamente energetica. energetica Come si possono produrre?
E' abbastanza intuitivo capire che la produzione di raggi X e' associata di
solito a processi di "alta energia", di energia' cioe' molto piu' alta di
quella associata ad un filo metallico riscaldato.
I fotoni, che sono le particelle di luce, sono prodotti quando si riescono
ad accelerare delle particelle elementari chiamate elettroni. Ogni volta
che si riesce ad accelerare un elettrone, cioe' a cambiare la sua velocita',
allora si produce un fotone, si produce luce. In generale tanto piu' un
elettrone e' veloce ed energetico e tanto piu' lo si accelera tanto piu' alta
sara' l'energia della luce prodotta. I raggi X e ancora di piu' quelli gamma,
sono prodotti da elettroni estremamente accelerati, estremamente veloci
ed estremamente energetici.

Una delle maniere di accelerare una particella e' quella di sottoporla ad un
campo gravitazionale. Ad esempio se si lascia cadere un corpo questo e'
sottoposto ad una accelerazione di gravita' che lo fa cadere per terra.
L’accelerazione e' tanto maggiore quanto
piu' grande e' la massa che determina il
campo gravitazionale e tanto minore e' la
distanza dal centro di questa massa.
Nel caso di corpi fatti di materia ordinaria,
atomi o ioni, come il sole o la terra, non e'
possibile avvicinarsi al centro di massa piu'
di tanto, dato che a un certo punto si va a
sbattere contro la superfice!

Stelle compatte nella nostra galassia
Esistono corpi celesti fatti di materia molto piu' compatta del sole o della
terra. Le nane bianche e le stelle di neutroni e i buchi neri sono il risultato
del processo di evoluzione delle stelle, sono quello che rimane quando,
una stella muore.
Le nane bianche hanno dimensioni simili a quelle della terra (6000 km
raggio) ma masse paragonabili a quella del sole!
Le stelle di neutroni hanno dimensioni di poche decine di km e ancora
masse solari! un cucchiaino della materia
che forma una stella di neutroni peserebbe
come tutto l'Himalaia!!!.
Il campo gravitazionale e le accelerazioni
nelle vicinanze della superfice di queste
stelle sono estremamente piu' grandi di
quelle che si possono trovare vicino al sole.
E' li che si generano copiosi i raggi X
quando la materia viene catturata
(accresciuta) dall'oggetto compatto.
Chi paga? Il potenziale gravitazionale della materia in accrescimento

Stelle di neutroni isolate
Chi paga?
L’energia rotazionale della stella!

Magnetars e SGR
Chi paga? Il campo magnetico! 10 15 Gauss

Come si forma una stella di neutroni?
neutroni

I resti delle supernovae
Crab nebula Cassiopea A
Viste nei raggi X dal satellite Chandra

Cosa succede vicino ai Buchi Neri?
Neri
I Buchi Neri sono addirittura piu' compatti di una stella di neutroni, solo
che in questo caso non si puo' definire una superfice solida. La materia
che cade su un BN non va a sbattere contro una superfice ma continua a
cadere indefinitamente. Una analogia che aiuta a capire il concetto e'
quella della velocita' di fuga: la velocita' che bisogna imprimere a un
razzo affinche‘ possa scappare dalla
attrazione gravitazionale di un corpo.
Se si lancia un razzo con una velocita'
minore, questo ricasca sulla base di
lancio. Sulla terra la velocita' di
fuga e' di 11 km/sec. Su un BN la
velocita' di fuga e' pari alla velocita'
della luce: 300.000 km/sec! Nessun
razzo riuscirebbe a decollare da un
buco nero, neanche la luce riesce a
scappare e ci ricasca dentro. Una
astronave o un atomo o un elettrone,
che abbia la sventura di passare accanto a un BN non ha scampo: ci
casca dentro. E cascandoci viene accelerato, producendo raggi X.

Cosa succede vicino ai Buchi Neri?
Neri

Il buco nero al centro della Via Lattea

Il buco nero al centro della Via Lattea

Variabilita’ dei nuclei delle galassie
La cosa assolutamente sorprendente e' che a variare di fattori grandi su tempi
di ore o giorni nei raggi X non sono solo stelle della nostra galassia ma anche
i nuclei attivi di galassie lontane!!!
In questi nuclei, che sono grandi piu'
o meno quanto il nostro sistema
solare viene prodotta una
quantita' di luce equivalente
a quella di una intera
galassia o anche molto di piu'!
e bisogna pensare che le dimensioni
di un sistama solare sono una frazione
molto molto molto molto piccola delle
dimensioni di una galassia, diciamo quasi
cento milioni di volte piu' piccola!!!! Come fa una regione tanto piccola a
produrre una quantita' di luce, sotto forma di raggi X tanto grande??!!!

Un viaggio nel tempo e nello spazio: spazio
l'era di formazione delle prime galassie
L'universo sappiamo essere vecchio all'incirca 13.7
miliardi di anni. 13.7 miliardi di anni fa tutto comincio'
con il famoso Big Bang
Da allora, a seguito di questa immane esplosione
l'Universo si sta espandendo, con una velocita' e' che
tanto maggiore quanto aumenta la distanza. L'analogia
con le formiche disegnate su un palloncino che si sta
gonfiando e' molto calzante. Le formiche sono qui le
galassie. Piu' il palloncino si gonfia piu' le galassie si
allontanano una dall'altra, e la velocita' a cui si
allontanano e' proporzionale alla distanza reciproca.
Nell'universo in espansione tempo e spazio sono
quindi intimamente legati. Piu' andiamo lontano nello
spazio con le nostre osservazioni, piu' osserviamo
oggetti lontani, piu' andiamo indietro nel tempo.

L’Universo Universo in espansione
A causa dell'espansione
dell'Universo tutte le
galassie si stanno
allontanando una
dall'altra con una
velocita' che e' tanto
maggiore tanto piu'
grande e' la distanza tra
una galassia e l'altra.
piu’ lontanto =
piu’ veloce!

Il redshift
Una maniera conveniente per misurare distanze e quindi i tempi in
cosmologia e' usare il “redshift” o spostamento verso il rosso. Questo
spostamento e’ analogo all’effetto Doppler. Analogia:
ascolatate la sirena di una ambulanza che sta venendo verso di noi, ci supera
e si allontana. Come e' il suono di questa sirena? Mentre la sirena si
sta avvicinando il suono e' piu' acuto
(frequenza maggiore), mentre si sta
allontanando e' piu' basso (frequenza
minore). Lo stesso succede con la luce.
Quando un oggetto luminoso si avvicina a
noi a velocita’ comparabili a quella della
luce stessa, noi lo vediamo un po’ piu' blu
di quello che realmente e', quando si
allontana lo vediamo piu' rosso.
Quindi, tanto piu’ una galassia si sta
allontanando velocemente, tanto piu’ e’
lontana, tanto piu’ grande sara’ lo
spostamento verso il rosso (il redshift)
di questa galassia

Per il nostro viaggio non abbiamo bisogno di andare ai confini dell'universo e
fino al momento del big-bang. Ci basta andare indietro di circa 13 miliardi di
anni, fino ad un redshift di circa z=8 o 10.
A z=10, l‘Universo era giovane, e non c'erano
ancora galassie e stelle. L'universo era ancora un
posto molto buio! Gigantesche masse di gas
stavano cominciando a collassare sotto il loro
stesso peso. Si stavano cominciando a formare le
prime stelle nelle prime galassie. La luce prodotta
comincia a ionizzare il gas circostante e a renderlo
trasparente. Cosa potremmo sperare di vedere?
Strumenti cosi' potenti per osservare l'era della
nascita delle galassie saranno disponibili a partire
dalla meta’ di questo decennio con ALMA, per le
osservazioni a lunghezza d'onda millimetrica, con il
telescopio spaziale JWST per
le osservazioni nell’infrarosso, e con
Athena per le osservazioni nei raggi X.
Athena
JWST
ALMA

Supernovae Gamma Ray Bursts e
stelle di grande massa
Stanno nascendo le primissime stelle, esaurendo il loro
conbustibile e quindi morendo. Tanto piu' una stella e' grande
tanta piu' luce emette (e di tipo tanto piu' blu') e tanto prima
questa stella morira'. La ragione di questo comportamente e'
abbastanza semplice: le stelle generano luce tramite reazioni
termonucleari, bruciando combustibile nucleare. Tanta piu'
luce emettono tanto piu' combustibile bruciano e tanto prima
finiscono la scorta! Una stella come il sole puo' vivere anche
10 miliardi di anni, ma stelle 10/50 volte piu' massicce vivono
solo pochi milioni di anni. Quando finiscono il combustibile
queste stelle cominciano a collassare sotto il proprio peso fino
a quando non si generano immani esplosioni: la stella ha
formato una delle cosiddette supernovae o addirittura un
Gamma Ray Burst. In galassie molto attive si possono
generare centinaia di supernovae l'anno. Per confronto basti
pensare che in una galassia normale come la nostra si
genera circa una supernova ogni decina d’anni .

In queste esplosioni gigantesche sono in gioco luminosita' dell'ordine di
miliardi di miliardi di luminosita' solari, o di milioni di luminosita' di una intera
galassia (anche se per tempi brevi, secondi, ore o giorni).
Le prime galassie saranno forse visibili grazie alla immensa luminosita'
prodotta dalle esplosioni delle Supernovae e dei GRB. I resti di queste
esplosioni sono: da una parte oggetti compatti, come nane bianche, stelle di
neutroni e buchi neri, dall’altra, la materia espulsa dalla stella forma” i resti di
supernova”.

GRB jets

Satelliti Vela
Lanciati nel 1963-1965
Operati fino al 1979
Permettevano la rivelazione e la rozza localizzazione dei GRB

IL primo GRB mai rilevato

Gamma-Ray Bursts nel sistema solare
Esplosioni
atomiche? atomiche
Fulmini ad alta
altitudine
nell’atmosfera
nell atmosfera
terrestre
Riconnessioni
magnetiche nella
Eliopausa

Satelliti Vela - Risultati
73 GRB in 10 anni
Non provengono dalla terra
(non sono test nucleari
Russi!) Russi!)
e non sono sul piano
del sistema solare
Ray Klebasadel

Risultato di BATSE: Isotropia! Isotropia
O molto vicini o molto lontani
Sistema solare

BeppoSAX
In onore di Giuseppe Occhialini
Satellite italiano con
partecipazione olandese. Lancio
30 Aprile 1996
Goal: localizzazioni con precisione
migliore di 1 arcmin

Beppo.. Beppo..
Occhialini nasce nel 1907 a Fossombrone.
Si laurea in fisica nel 1929 e a 24 anni si trasferisce a
Cambridge per lavorare con P.M.S. Blanckett. Sviluppa uno
strumento innovativo con il quale ottiene una robusta
conferna della scoperta del positrone.
Dopo la guerra si trasferisce a Bristol per lavorare con
C.P.S. Powell. Li sviluppa una nuova tecnica per rivelare
particelle elementari e scopre il decadimento del mesone π.
Blanckett ottiene il premio Nobel nel 1948
Powell ottiene il premio Nobel nel 1950
Erano gli anni della guerra fredda e Occhialini era un
comunista..
Pontecorvo, un altro famoso fisico, ha sintetizzato facendo
un famoso brindisi: non brindo alla salute di Beppo, ma a
quella di tutti noi, perche’ lavorare con Beppo e’ una
maniera praticamente certa di vincere un premio Nobel!
Beppo ha fondato l’IFCTR di Milano e ha contribuito al
lancio dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
E’ stato uno dei padri di COS-B, il primo satellite scientifico
di ESA (astrofisica dei raggi gamma)

Strategia:
1. si scopre un GRB con le WFC (campo di vista di 40 o x 40 o di e lo si
localizza con una incertezza di qualche arcmin
2. Si riprogramma il satellite per ripuntare la posizione del GRB con I
telescopi X e si localizza il GRB con una incertezza di mezzo arcmin,
6-12 ore.
3. Si allertano I telescopi terrestri per osservare quella regione di cielo

Localizzazioni
Box errore di Batse
Box errore di BSAX

BeppoSAX: I GRB sono sorgenti a
distanze cosmologiche!
cosmologiche
Costa+ 1997 BeppoSAX
Van Paradijs+ 1997 WHT
Pedichini+ 1997 Campo imperatore

GRB970508 – righe di assorbimento:
assorbimento:
z=0.835 z=0.835
Optical Emission
Fe II
Metzger et al. 1997 flusso
Fe II
Mg II
Mg II I
Assorbimento
flusso
Wavelength
Wavelength

GRB971214 @z=3.42 @z=3.42

Studio delle galassie ospiti
Sito dell’esplosione
Ambiente circostante
Gas lungo la linea di vista
Verso di noi

Swift: una nuova era per lo studio
dei GRB
Burst Alert Telescope (BAT)
- 32,000 CdZnTe detectors
- 2 sr field of view
X-Ray Telescope (XRT)
- CCD spectroscopy
- Arcsec GRB positions
UV-Optical Telescope (UVOT)
- Sub-arcsec position
- 22 mag sensitivity
SI utilizza una tecnologia militare
per un ripuntamento rapidissimo!
in meno di 100 secondi

Il GRB piu’ piu lontano, lontano,
quello piu’ piu
brillante e quello piu’ piu energetico
GRB080916C Fermi γ-rays
GRB080913
GRB080319B

Modelli per un GRB

Modelli per un GRB

I raggi X dei primi QUASAR
Nelle regioni centrali delle galassie in formazione si stanno formano molte stelle di
neutroni e buchi neri, che e’ facile che si scontrino uno con l'altro. Il risultato e' che si
viene a formare gradualmente al centro di queste galassie un buco nero via via
sempre piu' grande, fino a milioni di masse solari.
Una grande quantita’ di gas o primordiale, o ricliclato dalle esplosioni di supernova
circonda questi buchi neri super-massicci. Una parte e’ facile che venga attratta dai loro
grandi campi gravitazionali e va a formare un disco di accrescimento, nel quale vengano
prodotti moltissimi raggi X, assieme a raggi ultravioletti e ottici. Si stanno
accendendo i primi quasars.
La luce generata dai quasar puo' essere pari a quella di centinaia o
migliaia di galassie normali! Anche questi oggetti ci permetteranno di investigare
l'era di formazione delle galassie.

I raggi X permettono di vedere
attraverso la materia
Una delle cose che possono fare i raggi X essendo piu'
energetici e' penetrare piu' a fondo nella materia.
I raggi X emessi dalle sorgenti cosmiche possono penetrare
molto piu' a fondo della luce visibile nella materia
circostante e lungo la linea di vista. Questo ci permette di
studiare regioni che sono totalmente oscurate se osservate
in luce ottica, regioni che non possono essere studiate in
nessun altro tipo di luce.
Queste regioni sono ad esempio le regioni in cui
nascono le stelle, in cui le polveri e il gas da cui sono
nate nuove stelle le coprono ancora completamente e le
rendono invisibili in luce ottica.
Oppure i nuclei attivi delle galassie in formazione

COSMOS
L’era era dei quasars a z=2
soft 0.5-2.0 keV
medium 2.0-4.5 keV
hard 4.5-10.0 keV
Chandra Deep field South
I quasar si continuano a formare in maniera molto rapida ed efficente fino a un redshift
di circa 2 e cioe' fino a quando l‘Universo ha circa un terzo della eta' odierna. A quel
tempo la maggior parte delle galassie aveva un nucleo attivo che brillava potentemente.
Anche la formazione e la distruzione delle stelle proseguiva in maniera vigorosa fino a
quel redshift.
La ragione per entrambe le cose e' probabilmente che molto gas (molto combustibile)
era ancora disponibile sia per formare molte stelle nelle galassie sia per alimentare i
buchi neri supermassici nei nuclei, via dischi di accrescimento.

Quasars nei raggi X

Il declino dei quasar
Ogni quasar rimane attivo per un tempo molto piccolo paragonato all'eta' dell'Universo. I
quasar che vedevamo attivi a z=2 ora sono spenti da miliardi di anni. Si sono spenti
perche' e' venuto a mancare il combustibile: i buchi neri hanno assorbito rapidamente
tutto il gas che era disponibile nei nuclei. Episodicamente
alcuni quasars possono riattivarsi. Questo succede quando casualmente si verificano
incontri tra le galassie che li ospitano. Durante gli
incontri le enormi forze mareali in gioco riescono a
spostare grandi quantita' di gas dalle periferie delle
galassie verso i nuclei. Ecco che di nuovo dischi di
accrescimento possono formarsi e i quasar
riaccendersi a brillare nei raggi X! Questi sono pero'
episodi rari, tanto piu' rari quanto piu' il tempo passa e
l'Universo si espande e stiamo quindi assistendo al
declino dei quasar.
Esattamente la stessa cosa succede alla formazione
delle stelle. E infatti La maggior parte delle stelle che
oggi vediamo brillare nel cielo sono stelle di piccola
massa, formate, come il sole, molti miliardi di anni fa,
quando l‘Universo era ancora giovane, e molto piu'
attivo che oggi.

Cosa portare a casa
•L’universo e’ sede di fenomeni estremamente violenti
•Stelle di Neutroni e buchi neri possono formari dal collasso di stelle di
grande massa.
•Gamma Ray Burst testimoniano la nascita di un buco nero con lampi
gamma ultra-energetici
•Buchi neri grandi milioni-miliardi di masse solari sono presenti nei nuclei
delle galassie.
•Episodicamente questi buchi neri possono accendersi grazie a materia
che cade su di essi per formare Nuclei Galattici Attivi
•Getti di materia accelerata a velocita’ relativistiche possono essere
lanciati da buchi neri
•Tutti questi esotici oggetti possono essere usati come laboratori per
studiare fisica in condizioni estreme

I nuclei attivi nell'universo locale
e i buchi neri relitti
Nell'Universo locale, solo una su circa 100 galassie ospita un nucleo attivo. I relitti piu'
importanti dell'era dei quasar sono i buchi neri che si trovano nei nuclei di praticamente
tutte le galassie abbastanza grandi. Durante tutta la storia dell'Universo i BN sono
cresciuti a dismisura, inghiottendo enormi quantita' di gas e hanno raggiunto
dimensioni che possono essere di un miliardo o addirittura dieci miliardi
di masse solari! Qualche millesimo della massa di tutta una intera galassia!
Questi buchi neri non
producono piu' radiazione X,
ma sono identificabili perche'
il loro enorme potenziale
gravitazionale modifica
le orbite delle stelle. Dallo
studio qualisi riesce
a stimare le masse dei buchi
neri relitti.