L astrofisica degli oggetti collassati
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L’ASTROFISICA DEGLI OGGETTI COLLASSATI. Attilio Ferrari Università di Torino. γ. La teoria della relatività. Einstein 1905: relatività speciale La luce si propaga a velocità c per qualunque osservatore Trasformate di Lorentz Fattore di Lorentz

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L astrofisica degli oggetti collassati l.jpg

L’ASTROFISICA DEGLI OGGETTI COLLASSATI

Attilio Ferrari

Università di Torino

Anno Mondiale della Fisica


La teoria della relativit l.jpg

γ

La teoria della relatività

  • Einstein 1905: relatività speciale

  • La luce si propaga a velocità c per qualunque osservatore

  • Trasformate di Lorentz

  • Fattore di Lorentz

  • La massa dipende dalla velocità

  • La velocità c è la velocità massima raggiungibile

  • Equivalenza massa/energia


La teoria della gravitazione l.jpg
La teoria della gravitazione

  • Einstein 1916: relatività generale

  • Equivalenza tra forze gravitazionali e forze inerziali

  • La scelta di un opportuno sistema di riferimento fa scomparire le forze inerziali

  • Lo stesso “gioco” si può fare con la gravità

  • Sistemi in caduta libera


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Un passo indietro newton l.jpg
Un passo indietro: Newton definite dalla curvatura dello spazio e dalla loro velocità

  • La velocità di fuga vf: la velocità da imprimere a un corpo per sottrarlo alla gravità di una massa M con raggio R

  • La velocità di fuga dalla Terra è di 11.2 km/s

  • Un satellite in orbita al limite dell’atmosfera ha velocità di 7.9 km/s


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  • Nel 1798 Laplace valuta che, nella teoria corpuscolare newtoniana, la luce non può sfuggire dalla superficie di un corpo che abbia vf > c: esistono le stelle nere ?

  • Non possiamo ricevere informazioni da un corpo di massa M che abbia un raggio

  • Esiste un “orizzonte gravitazionale”

  • Ma si afferma la teoria ondulatoria: la luce è un’onda, non ha massa ! Come può allora sentire la forza gravitazionale ? L’orizzonte potrebbe essere trasparente alla luce !


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  • Equivalenza di massa ed energia: anche l’energia “sente” la forza gravitazionale

  • I raggi di luce seguono le “geodetiche”, traiettorie definite da una velocità sempre eguale a c

  • I fotoni muovendosi in un campo gravitazionale perdono energia e si “arrossano”

  • Se il campo è molto intenso la loro energia tende a zero e diventano invisibili

  • Quindi il concetto di “orizzonte” si applica anche alla luce


L orizzonte degli eventi l.jpg
L’orizzonte degli eventi “sente” la forza gravitazionale

  • L’espressione relativistica dell’orizzonte gravitazionale coincide formalmente con quella di Laplace

  • Prende il nome di raggio di Schwarzschild (1916)

  • Masse concentrate in raggi minori non lasciano sfuggire materia né luce: buchi neri, black holes, BH, zone oscure nello spazio

  • Per la Terra il limite è 1 cm, per il Sole 3 km


Orbite dei fotoni intorno a un bh l.jpg
Orbite dei fotoni intorno a un BH “sente” la forza gravitazionale

  • Metrica di Schwarzschild per la deformazione dello spazio intorno ad una massa M non rotante

  • Traiettorie dei fotoni emessi da sorgenti poste a diverse distanze dal BH

  • A R=RSch i fotoni ricadono entro il BH


Problemi di estrema gravit l.jpg
Problemi di “estrema gravità” “sente” la forza gravitazionale

  • Effetti di relatività generale in campi gravitazionali intensi

  • Quando diventano importanti ?

  • Che cosa vuol dire “campi intensi” ?

  • Quando la velocità di fuga si avvicina a c !

  • Oggetti compatti


Fasi finali della vita delle stelle l.jpg

Puff! “sente” la forza gravitazionale

Bang!

Bang!

Fasi finali della vita delle stelle

  • Stelle come il Sole o di massa minore fanno “poco rumore”

  • Stelle di massa maggiore danno luogo a collassi ed esplosioni


Nane bianche l.jpg

Sirio B “sente” la forza gravitazionale

Nane Bianche


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Catastrofi: eventi supernova “sente” la forza gravitazionale

  • Stelle massive (> 8 masse solari)

  • La fusione nucleare produce l’energia

  • Gravità e pressione si bilanciano

  • La fusione crea una struttura “a cipolla”

  • Nel nucleo si sintetizza il ferro

  • Fotodisintegrazione: il nucleo si raffredda

  • Collasso: kaboom

  • Forte rilascio di energia: 1053 ergs, 1000 volte maggiore di quanto emette il Sole nella sua vita intera

  • Risultato: una stella di neutroni o un buco nero circondati da una shell di materiale radioattivo in espansione


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Pulsar e stelle di neutroni “sente” la forza gravitazionale


Esistono bh l.jpg
Esistono BH ? “sente” la forza gravitazionale

  • In condizioni normali la materia è ben lontana dallo stadio di BH

  • In astrofisica è possibile raggiungere situazioni di forte compressione della materia e quindi produrre oggetti di dimensioni inferiori al raggio dell’orizzonte

  • In termini di densità (corpi omogenei)


Strutture stellari di equilibrio l.jpg
Strutture stellari di equilibrio “sente” la forza gravitazionale


Nuclei galattici l.jpg
Nuclei galattici “sente” la forza gravitazionale

  • Le condensazioni centrali nei nuclei delle galassie sono presumibilmente BH perché contengono masse pari a 108M entro raggi di dimensione del sistema solare 108 km

  • Le densità non sono in tal caso molto grandi, ma la forza di gravità è enorme

  • Il raggiungimento di questo stadio è ineluttabile (Rees)


Come si possono vedere i bh l.jpg
Come si possono vedere i BH ? “sente” la forza gravitazionale

  • I BH sono “riscaldatori cosmici”

  • Attraggono la materia circostante, la comprimono, la frammentano e la surriscaldano

  • La materia diventa molto luminosa e può essere osservata prima di essere inghiottita dall’orizzonte


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1 caramella = 10 kilotoni


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Il caso di cygnus x 1 l.jpg
Il caso di Cygnus X-1 regolare rifornimento di materia

  • Sorgente X scoperta dal satellite Uhuru nel 1970

Ottico

Raggi X


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Il nucleo di M 87 visto da HST valori

Compatto, massiccio, rotante

Intenso campo gravitazionale con grande momento angolare ?


Il modello disco getto l.jpg
Il modello disco - getto valori

  • L’accrescimento di massa su oggetti con intenso campo gravitazionale è il meccanismo più efficiente per la produzione di energia

    (Lynden-Bell 1969, Scheuer 1974, Rees 1974)

  • I getti come meccanismo di estrazione di momento angolare

  • Associazione tra accrescimento sotto forma di dischi e getti collimati e persistenti

  • Smulazioni di sistemi complessi nonlineari


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I LAMPI GAMMA valori

A Detective Story


I satelliti vela l.jpg
I satelliti VELA valori

  • Nel 1960 gli Stati Uniti mettono in orbita la flotta di satelliti Vela per il controllo dei test nucleari

  • Il sistema è basato su satelliti multipli per registrare segnali in coincidenza nella banda dei raggi gamma

  • Le orbite sono definite con scarsa accuratezza


Il primo lampo l.jpg
Il primo lampo valori

  • Nel 1969 vengono pubblicati dati raccolti nel 1967 che mostrano un lampo (burst) di origine non terrestre

  • Vengono registrati altri 16 lampi tra il 1969 e il 1972

  • Nel 1973 Klebesadel, Strong & Olson annunciano la scoperta al mondo scientifico e coniano il termine Gamma-Ray-Burst (GRB)


Che cosa sono mai l.jpg
Che cosa sono mai ? valori

  • L’astronomia gamma è ancora nella sua infanzia

  • La scarsa accuratezza nella definizione delle direzioni di arrivo dei segnali non consente di associare i lampi con sorgenti astrofisiche

  • La brevità dei segnali impedisce di combinare le osservazioni gamma con quelle in altre bande spettrali

  • I segnali vengono da vicino o da lontano ?


Il tormentone astronomico l.jpg
Il “tormentone astronomico” valori

  • Due elementi base per capire la natura di una sorgente celeste:

    dov’è e quant’è potente ?

  • Ma sono strettamente legati nelle misure astronomiche !

    • Per stimare la distanza di una sorgente si confronta la sua effettiva potenza con la potenza ricevuta: ma se non ho la sua effettiva potenza non posso stimarne la distanza

    • Per stimare la potenza effettiva di una sorgente uso la potenza ricevuta e la diluisco con la distanza: quindi se non ho la distanza non posso misurarne la potenza effettiva


L indagine si complica l.jpg
L’indagine si complica valori

  • Classificando nuovi dati nascono altri interrogativi sui misteriosi lampi gamma

    • Alcuni lampi sono singoli e regolari, altri molto complessi, a molti picchi

    • Alcuni lampi sono brevi e stretti, ma vengono seguiti da lampi secondari più lunghi

    • Le durate vanno dai 30 millisecondi ai 1000 secondi


Il compton gamma ray observatory cgro 1991 2000 l.jpg
Il Compton Gamma Ray Observatory valori CGRO (1991-2000)


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BATSE valori

8 rivelatori agli angoli del satellite

ad alta sensibilità, con risoluzione energetica e con risposta direzionale


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OSSE valori



Distribuzione del lampi nel cielo l.jpg
Distribuzione del lampi nel cielo valori

Appaiono dovunque !!!

Nessuna associazione con specifiche strutture astronomiche

Hanno tutti grandi flussi di energia in raggi gamma


Vicini o lontani l.jpg
Vicini o lontani ? valori

  • Implicazioni della distribuzione isotropa

    • Vicini al sistema solare, entro la Via Lattea:

      • quali tipi di oggetti vicini hanno una distribuzione isotropa ?

      • perché non ci sono lampi deboli ?

      • bastano piccole quantità di energia, sarebbe sufficiente un asteroide che cadesse su una stella di neutroni

    • Lontani, a distanze cosmologiche:

      • l’isotropia è interpretata automaticamente

      • servono enormi quantità di energia


The great debate 1995 l.jpg
The great debate (1995) valori

Cosmologici o Galattici ?

Fluence:

10-7 erg cm-2 s-1

Distanza: 1 Gpc

Energia:1051 erg

Distanza: 100 kpc

Energia: 1043 erg

Serve un nuovo tipo di osservazioni


Verso la soluzione l.jpg
Verso la soluzione valori

  • Nel 1997 il satellite scientifico italiano BeppoSAX rivela emissione di raggi X da una zona del cielo 8 ore dopo un lampo gamma


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7 mesi più tardi il Telescopio Spaziale Hubble valori

rivela emissione ottica dalla stessa regione


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Il problema ora energetico l.jpg

Coalescenza di stelle di neutroni immediatamente dopo il lampo gamma

Ipernova

Supranova

Il problema è ora energetico

  • Se si tratta di oggetti lontani, quale può essere l’origine di tutta quell’energia ?

  • Modelli: rilascio di energia gravitazionale


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La supernova connection grb011121 l.jpg
La Supernova Connection nero è un candidato per produrre lampi gammaGRB011121

  • L’afterglow ottico decade come la curva di luce di una supernova


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Alcuni lampi gamma lasciano un afterglow ottico che, al suo decadere, lascia emergere lo spettro tipico della supernova associata


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  • Queste osservazioni favoriscono il modello di supernova rispetto alla coalescenza

  • Ma esistono varie classi di lampi

  • In ogni caso si tratta di eventi violenti in galassie a distanze cosmologiche

  • La presenza di getti e il loro orientamento va tenuto presente per stimare l’energetica effettiva: il “beaming relativistico”


Uniformit dell energetica correggendo per il getto l.jpg
Uniformità dell’energetica rispetto alla coalescenzacorreggendo per il getto

  • Cosmologia dai lampi gamma?

  • Sono candele standard

  • Misure di distanza in cosmologia

  • Osservazioni delle prime stelle


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Swift rispetto alla coalescenza

HETE-2

GLAST

AGILE

A caccia dei “colpevoli”


Gli indiziati l.jpg
Gli “indiziati” ? rispetto alla coalescenza

  • Fisica dei collassi gravitazionali

  • Formazione dei getti

  • Interazione dei getti con la shell di supernova in espansione

  • Sequenza delle emissioni dal radio ai gamma


Modello di ipernova con getto e shocks l.jpg
Modello di ipernova rispetto alla coalescenzacon getto e shocks


I colpevoli nascosti sono i buchi neri l.jpg
I colpevoli nascosti sono rispetto alla coalescenzai buchi neri !


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