Un viaggio nell Universo violento: astrofisica relativistica

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1 Un viaggio nell Universo violento: astrofisica relativistica Fabrizio Fiore oa-roma.inaf.it/.it/ fiore

2 Un cambiamento di prospettiva V. Van Gogg: Starry night Presentazione basata sui documenti: Feasibility study on HEA: fields of interest and perspectives for the national community, 2004 and its 2007 update INAF Piano a Lungo Termine 2006 EC Astronet Roadmap ESA Cosmic Vision Contratti ASI-INAF Studio Astrofisica Alte Energie

3 La ricerca in astrofisica si puo dividere in 2 campi: campi 1. la ricerca sulle origini e sull'evoluzione dei sistemi complessi: l origine e l evoluzione dell Universo; la formazione ed evoluzione delle galassie; la formazione ed evoluzione delle stelle e dei pianeti; l'origine e l'evoluzione della vita; etc. 2. l'utilizzo di ambienti astrofisici come laboratori per investigare fisica fondamentale (le leggi che regolano il nostro mondo): buchi neri per studiare relativita generale in campo forte; test di QCD e QED test sulla struttura fine dello spaziotempo e delle sue simmetrie fondamentali; etc. L astrofisica relativistica si occupa di entrambe i settori

4 Scienza di scoperta e misure di precisione La maggior parte delle missioni spaziali, specie quelle di taglia medio/grande, contribuisce a tutti e due i settori. Due esempi. BeppoSAX: I Gamma Ray Burst sono sorgenti cosmologiche distanti, le piu grandi esplosioni cosmiche dopo il Big Bang. XMM: Righe da dischi relativistici Scoperta: : ASCA E em /E obs ~1+z~1+v/c 6.4/5=1.28 v~0.28c Nel seguito presentero' le frontiere della ricerca in astrofisica relativistica e delle alte energie, cercando di evidenziare quali problemi di evoluzione delle strutture e di fisica fondamentale sono oggi affrontati, e i miglioramenti della strumentazione di prossima generazione necessari per la loro soluzione.

5 Scienza di scoperta e misure di precisione La maggior parte delle missioni spaziali, specie quelle di taglia medio/grande, contribuisce a tutti e due i settori. Due esempi. BeppoSAX: I Gamma Ray Burst sono sorgenti cosmologiche distanti, le piu grandi esplosioni cosmiche dopo il Big Bang. XMM: Righe da dischi relativistici Scoperta: : ASCA E em /E obs ~1+z~1+v/c 6.4/5=1.28 v~0.28c Nel seguito presentero' le frontiere della ricerca in astrofisica relativistica e delle alte energie, cercando di evidenziare quali problemi di evoluzione delle strutture e di fisica fondamentale sono oggi affrontati, e i miglioramenti della strumentazione di prossima generazione necessari per la loro soluzione.

6 Scienza di scoperta e misure di precisione La maggior parte delle missioni spaziali, specie quelle di taglia medio/grande, contribuisce a tutti e due i settori. Due esempi. BeppoSAX: I Gamma Ray Burst sono sorgenti cosmologiche distanti, distanti le piu grandi esplosioni cosmiche dopo il Big Bang. XMM: Righe da dischi relativistici Scoperta: ASCA Eem/Eobs~1+z~1+v/c 6.4/5=1.28 v~0.28c Nel seguito presentero' le frontiere della ricerca in astrofisica relativistica e delle alte energie, cercando di evidenziare quali problemi di evoluzione delle strutture e di fisica fondamentale sono oggi affrontati, e i miglioramenti della strumentazione di prossima generazione necessari per la loro soluzione.

7 Scienza di scoperta e misure di precisione La maggior parte delle missioni spaziali, specie quelle di taglia medio/grande, contribuisce a tutti e due i settori. Due esempi. BeppoSAX: I Gamma Ray Burst sono sorgenti cosmologiche distanti, distanti le piu grandi esplosioni cosmiche dopo il Big Bang. XMM: Righe da dischi relativistici Swift! Scoperta: ASCA Eem/Eobs~1+z~1+v/c 6.4/5=1.28 v~0.28c XMM: statistica Nel seguito presentero' le frontiere della ricerca in astrofisica relativistica e delle alte energie, cercando di evidenziare quali problemi di evoluzione delle strutture e di fisica fondamentale sono oggi affrontati, e i miglioramenti della strumentazione di prossima generazione necessari per la loro soluzione.

8 I protagonisti principali dell astrofisica relativistica: Oggetti compatti, stelle di neutroni e buchi neri Laboratori ideali di fisica in condizioni estreme, che non possono essere testate in lab terrestri. Raggio della terra = 6378 km Raggio del sole = 700mila km = 109 R Terra Raggio stella di neutroni di massa solare = 15 km Raggio buco nero massa solare = 10 km Dimensioni sistema solare = 150 milioni km Raggio buco nero di massa 100 milioni di soli = dimensioni sistema solare Possiamo risolvere in una immagine l orizzone degli eventi? mmvlbi, spacevlbi Tre esempi: Densita estreme: stelle di neutroni Campi magnetici ultra-forti: stelle di neutroni Gravita ai suoi estremi: buchi neri

9 I protagonisti principali dell astrofisica relativistica: Oggetti compatti, stelle di neutroni Densita estreme: Stelle di neutroni. Grande area di raccolta, ottima ris. spettrale/temporale: IXO "= 1 2# Nuclei normali: 50% protoni. Materia ultradensa: ~0% protoni. QCD (e.g, condensazioni Bose-Einstein di quark liberi a bassa T). Le interazioni tra particelle che costituiscono la stella determinano la equazione di stato, la relazione tra densita e pressione o analogamente tra massa e raggio. Masse: ottenute in sistemi binari. Raggi: assorbimento nella fotosfera durante bursts: misura del redshift gravitazionale alla superfice della NS, Eem/Eobs~(1+z)~GM/Rc2. Misura della innermost stable circular orbit: khz QPO. GM r3 risco $ r R NS $ r risco = 6GM c2 Q ua rk!

10 I protagonisti principali dell astrofisica relativistica: Oggetti compatti, stelle di neutroni Campi magnetici ultra-forti: stelle di neutroni. Nuovo Nuovo regime di emissione,, la maggior parte della radiazione e e prodotta a causa della dissipazione di un campo magnetico B gigantesco,, > cento milioni di volte il piu grande campo prodotto sulla Terra! Puo essere misurato tramite la rivelazione di righe di ciclotrone. L enorme B puo essere usato per testare un effetto di QED: : la birifrangenza del vuoto.. In presenza di grandi B il vuoto si comporta come mezzo con indice di rifrazione diverso per luce polarizzata su piani paralleli e perpendicolari alla direzione di B, cambiando la dipendenza con la fase e lʼenergia della flusso polarizzato.. Spettroscopia a banda larga, misure di polarizzazione: : NHXM

11 I protagonisti principali dell astrofisica relativistica: Oggetti compatti, buchi neri Gravita ai suoi estremi: buchi neri. Dischi di accrescimento attorno a BH possono fornire test per la relativita generale in campo forte e misurare massa e spin del BH. Due metodi complementari: profili delle righe del ferro e rotazione dell angolo di polarizzazione. Grande spin: materia piu vicina al BH, v piu grandi Spettroscopia a banda larga, polarizzazione, grande area di raccolta: NHXM, IXO

12 Formazione ed evoluzione delle strutture Oggetti compatti non sono solo laboratori di fisica ideali,, ma sono protagonisti fondamentali anche per studiare la formazione e l'evoluzione delle strutture. Scoprire come i buchi neri e la radiazione di alta energia agiscono da controllori occulti Irradiazione e lancio di venti,, jets, bolle di plasma Influenza dei raggi X sulla formazione dei sistemi planetari Influenza dei nuclei galatti attivi (AGN) sull evoluzione delle galassie Influenza degli AGN sulla formazione ed evoluzione degli ammassi di galassie

13 Formazione ed evoluzione delle strutture Influenza dei raggi X sulla formazione dei sistemi planetari planetari. I dischi circumstellari sono investiti da raggi X, venti e raggi cosmici originati dalla stella centrale che producono riscaldamento, ionizzazione ed evaporazione del disco. Stelle giovani (YSO) hanno grandi campi magnetici e forte rotazione => grande emissione X. Formazione dei pianeti: dinamica tranquilla I raggi X inducono turbolenza, inomogeneita e torque gravitazionali che inibiscono la sedimentazione di grandi corpi solidi. Formazione solo nella dead-zone? Le atmosfere sono soggette a irradiazione che le fa evaporare velocemente. raggi X stimolano la formazione di molecole complesse, pre-biotiche YSO in nubi molecolari, ambienti densi. Raggi X duri, buona risoluzione spaziale: : NHXM, IXO

14 BH come controllori occulti Influenza dei nuclei galatti attivi (AGN) sull evoluzione delle galassie. Una delle scoperte piu importanti di HST e quella di BH supermassicci ( M sun ) nel centro delle galassie con bulge e la correlazione tra massa dei BH e massa del bulge. BH sono cresciuti in fasi luminose di AGN, durante le quali vengono lanciati potenti venti che possono scaldare il mezzo interstellare e inibire formazione di stelle. L efficenza del motore centrale degli AGN e eccezionale,, circa 10% della massa accresciuta viene trasformata in radiazione! (<0.5% reazioni nucleari nelle stelle,, <0.001% reazioni chimiche).

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16 BH come controllori occulti Misura dell energia energia che i venti degli AGN rilasciano sulla galassia ospite. Il profilo delle righe di assorbimento e profilo delle righe di assorbimento e determinato dalla geometria e dalla velocita del vento. Censo completo degli AGN e dei SMBH. Il Cosmic X-ray background (Nobel a Giacconi) e il residuo dell attivita attivita di tutti gli AGN durante i tempi cosmici.. La sua forma implica l esistenza l di AGN altamente oscurati, rivelati fin ora da BSAX, INTEGRAL e SWIFT solo nell universo locale, ma che costituiscono solo 1% del CXB all energia del picco (30 kev). E E necessario risolvere >50% del CXB al picco. CXB Spettroscopia a larga banda, risoluzione di energia, grande area di raccolta, immagini di buona qualita tra 10 e 60 kev. NuStar, NHXM, IXO, WFXT

17 BH come controllori occulti Misura dell energia energia che i venti degli AGN rilasciano sulla galassia ospite. Il profilo La formazione delle righe di assorbimento delle e eprime determinato galassie. dalla geometria Quando e dalla velocita l Universo l del vento. aveva Censo meno di completo un miliardo degli di anni AGN si formano e dei SMBH. le prime Il Cosmic stelle e X-ray i primi background BH. Molto (Nobel gas a Giacconi) (combustibile) e il residuo era ancora dell attivita attivita disponibile tutti gli sia AGN per durante formare i tempi stelle cosmici. che per. La alimentare sua forma e far l esistenza crescere i di BH. AGN Potenti altamente miniagn oscurati, scaldano rivelati fin il mezzo ora da BSAX, interstellare INTEGRAL e intergalattico e SWIFT solo e nell universo locale, ma che costituiscono solo 1% del CXB all energia del picco (30 kev). E E necessario modificano risolvere le condizioni >50% del in cui CXB si al formano picco. i primi agglomerati di stelle, quelle che diventeranno le galassie che osserviamo nell Universo che ci circonda. La forma implica CXB Spettroscopia a larga banda, risoluzione di energia, grande area di raccolta, immagini di buona qualita tra 10 e 60 kev. NuStar, NHXM, IXO, WFXT

18 BH come controllori occulti Influenza degli AGN sulla formazione ed evoluzione degli ammassi di galassie. Venti,, jets, bolle di plasma e particelle relativistiche originate dagli AGN possono uscire dalle galassie ospiti e rilasciare energia nel mezzo intergalattico, influenzando la sua evoluzione. Energia cinetica equivalente a quella di miliardi di supernovae! Dire che un buco nero ha effetto su un ammasso di galassie e e come dire che un mirtillo puo influenzare la Terra. 10 Ottima qualita delle immagini X, ottima risoluzione spettrale: : IXO Immagini X ad alta energia: NuStar,, NHXM

19 BH come acceleratori cosmici AGN e GRB: potentissimi acceleratori cosmici. UHECR di energie fino a 1013 GeV rivelati da Pierre Auger Observatory (un miliardo di volte piu energetici dei p+ di LHC!). Coincidenza tra UHECR e distribuzione di galassie e AGN (PAO).

20 GRB: le piu grandi esplosioni dopo il Big Bang I GRB segnano la formazione di un nuovo BH, seguendo il collasso di una stella di grande massa o lo scontro tra due NS. Si osserva l emissione l di quantita enormi di luce (fino a un miliardo di volte la luce emessa da una intera galassia). Si sospetta che questa sia una frazione dell energia energia totale. Non si conoscono ancora i dettagli del funzionamento del motore centrale! Sonde dell universo ad altissimo redshift opportunita per investigare fisica fondamentale

21 Il GRB piu lontano, quello piu brillante e quello piu energetico Il satellite dedicato allo studio dei GRB Swift e risultato il secondo osservatorio al mondo per risultati scientifici, dopo SDSS e prima di HST e Chandra. 2 Rossi prizes! BeppoSAX e Swift teams GRB080916C Fermi γ-rays Swift e finanziato fino al 2014, dopo non c e nulla di garantito. Il programma piu promettente e e EXIST Swift GRB z=8.1 1/30 dell eta attuale Universo TNG Salvaterra+09 Swift GRB080319B V~5, visibile ad occhio nudo una esplosione da un Universo di mezza eta, D Elia+08

22 GRB e fisica fondamentale La granulosita dello spazio. GRB emettono fotoni di altissima energia dai confini dell Universo. Questi possono essere utilizzati per verificare teorie di gravita quantistica circa le simmetrie fondamentali dello spazio- tempo. A dimensioni piccolissime (miliardi di volte meno delle dimensioni di un nucleo atomico) la granulosita dello spazio-tempo potrebbe rallentare fotoni di grande energia: Δt~E/E QG L/c, dove E QG ~10 19 GeV, scala di Planck. Ritardi nei tempi d arrivo di fotoni di energie del GeV provenienti da GRB a distanze cosmologiche (grandissimi L) e misurati dal satellite Fermi possono mettere limiti su E QG. Amelino-Camelia+98 Queste teorie predicono anche una birifrangenza dello spazio, che risulta in una rotazione del piano di polarizzazione con E e con L. Polarimetria di GRB potrebbe essere in grado di misurare questo effetto.

23 Barioni mancanti Lyα-forest (< 105 K) Galaxies Hot gas 7 Warm-Hot gas(>10 K) (WHIM, K) Universo distante (z~3): la maggior parte dei barioni osservati nel mezzo intergalattico Universo vicino (z<1): circa meta dei barioni non Baryon pie at z=0 sono ancora osservati WHIM in assorbimento negli spettri di QSO distanti: IXO: grande sensitivita e risoluzione spettrale. Anche usando GRBs (EDGE/XENIA)

24 Tabella riassuntiva Hot topics Requirment1 Requirment 2 Missione S M L Part. Italiana S Inst.PI L Stelle di neutroni Area di raccolta Ris. spettrale e temporale IXO IXO Campi B ultra-alti Spettroscopia a larga banda Polarimetria NHXM, IXO NHXM, IXO Relativita generale Spettroscopia a larga banda Polarimetria Area di raccolta NHXM, IXO NHXM, IXO Stelle giovani Ottima qualita immagini Immagini raggi X alta energia NHXM NHXM BH controllori occulti e BH alto z Ottima qualita immagini Immagini raggi X alta energia Area di raccolta NuStar,, NHXM, IXO, WFXT, EXIST NuStar, NHXM, IXO, WFXT, EXIST GRB Larga banda campo di vista Ripuntamento veloce EXIST, XENIA EXIST,XENIA

25 NHXM Missione con leadership italiana, studio di fase A Simbol- X/HEXIT-SAT, alta priorita negli studi ASI FS on HEA, INAF PLT and EC Astronet roadmap. Lancio >2016 Osservatorio Banda kev Area di raccolta: : Risoluzione immagini: : 15 <10keV, Risoluzione energetica: : 150eV FOV: 12 diametro Polarimetria a immagini Classe Small, Lancio VEGA Coinvolgimento italiano: filiera nazionale in grado di realizzare l intera l missione,, payload + spacecraft, e il suo adeguato sfruttamento scientifico.

26 International X-ray Observatory Unione delle proposte di ESA/JAXA XEUS e NASA s Constellation-X. Parte della Astro2010 Decadal Review in USA e di ESA Cosmic Visions, studio di fase A, lancio: >2021 Grande Osservatorio (come HST, Chandra, XMM) Area di raccolta: kev, Risoluzione angolare: <5 HPD Risoluzione energetica: 2.6eV calorimetro, 150eV WFI (18 FOV) Polarimetria High time resolution spectrometer Classe Large, lancio Ariane 5 Coinvolgimento italiano: PI polarimetro, sviluppo specchi e calorimetri, forte coinvolgimento scientifico a partire dalla proposta XEUS (1997)

27 WFXT Parte della Astro2010 Decadal Review in USA alta priorita negli studi ASI FS on HEA, INAF PLT lancio > 2017 Telescopio X disegnato per survey: Area di kev: goal 1m 2, req. 0.6m 2 FOV: 1 deg 2 diametro Risoluzione angolare: goal 5, req. 10 Banda: kev Classe media, lancio ATLAS V402 Coinvolgimento italiano: Disegno e possibile realizzazione ottiche, forte coinvolgimento scientifico.

28 IRT HET EXIST SXI Parte della Astro2010 Decadal Review in USA lancio > 2017 Camera a grande campo (90 deg) per monitor del cielo kev S/C area di raccolta 10 volte Swift BAT Ripuntamento di sorgenti interessanti (GRB, transienti) con: Telescopio IR Telescopio X ( kev) GRB fino a z>7-10! Grazie alle identificazioni IR Survey di tutto il cielo nei raggi X duri volte piu profonda delle survey esistenti Coinvolgimento italiano: telescopio X, partecipazione alla camera di grande campo, forte coinvolgimento scientifico sia sui GRB (follow-up di BeppoSAX e Swift) sia sulla survey.

29 Conclusioni La comunita di astrofisica relativistica italiana e e una realta importante, solida,, e riconosciuta a livello internazionale Ad esempio,, circa 1/5 di tutto il tempo osservativo di satelliti come XMM Chandra e INTEGRAL ha un PI italiano negli ultimi 3 anni. La produzione scientifica e e di assoluto rilievo sia numerico che qualitativo, ai primissimi posti, dopo USA e UK La comunita e cresciuta sul campo attraverso le esperienze dirette di BeppoSAX, XMM, INTEGRAL, Swift, Agile, Fermi Coinvolge circa 400 tra ricercatori, tecnici e post doc in INAF, INFN, Universita Forte supporto da ASI, incluso ASI ASDC (fondato( come BeppoSAX SDC) La comunita ha grandi capacita progettuali Identificato i topics scientifici principali che saranno la frontiera della ricerca nei prossimi anni Sviluppato le tecnologie principali necessarie per affrontare questi topics Individuato i profili di missione piu promettenti, sia per missioni a guida italiana, che a livello di partecipazione qualificata (PI di strumenti) ) a missioni complesse internazionali (ESA/NASA). Ordine di grandezza del costo per ASI: tra 50 e 130 Meuro/missione. Indicato priorita, tenendo conto del contesto internazionale: molto difficilmente piu di una delle proposte CV & Decadal review (IXO, EXIST, WFXT, XENIA) sara approvata