Raggi X e Raggi γ dalle Stelle

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Vittoria Montanari
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1 Raggi X e Raggi γ dalle Stelle Enrico Virgilli Attività di Stage Nel laboratorio di Astrofisica Dipartimento di Fisica Università di Ferrara

3 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 ( caso invisibili a occhio nudo sono state scoperte per 3 - Problemi osservativi

4 Assorbimento atmosferico

5 Onde radio e Microonde A km di altezza c e la ionosfera prodotta dagli UV del sole che interagiscono con gli atomi

6 L infrarosso: apparecchi di visione notturna La luce visibile nm Ultravioletti: UVA, UVB, UVC. Il sole emette UVA e UVB ma l assorbimento atmosferico lascia passare solo gli UVA.

7 Ma concentriamoci sull ultima e piu energetica porzione dello Spettro elettromagnetico. Quella che compete ai raggi X e Gamma

8 Raggi X: Gamma (γ):

9 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

10 L Astrofisica delle alte energie (raggi X e γ) deve essere fatta da satellite. DOMANDA: PERCHE? La seconda sorgente X scoperta (Scorpius X-1) fu rivelata nel 1962 da un team guidato da Riccardo Giacconi. DOMANDA: PERCHE LA SECONDA? Sono richieste strumentazioni diverse da quelle utilizzate per l Astrofisica delle basse energie

11 Le missioni X e γ presenti e passate

12 Sorgenti X scoperte fino ad oggi ( o 1 se contiamo il Sole) sorgente (esperimento Rocket ) sorgenti (esperimento Rocket) sorgenti (Rocket ed esperimenti da pallone) sorgenti (terzo Catalogo Uhuru ) sorgenti (Catalogo di Amnuel ) sorgenti (catalogo HEAO A-1) sorgenti (Cataloghi Einstein e EXOSAT) sorgenti (Catalogo ROSAT ) 2007 piu di sorgenti!! (satellite XMM-Newton)

13 Sorgenti γ scoperte fino ad oggi sorgenti sorgenti Rocket ed esperimenti da pallone sorgenti SAS sorgenti COS-B sorgenti COS-B sorgenti (primo Catalogo Egret) sorgenti (secondo catalogo Egret) sorgenti (Catalogo Gehrels) sorgenti (secondo Catalogo Gehrels) sorgenti (predetto numero di rivelazioni di GLAST)

14 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?

15 La maggior parte degli oggetti astronomici emettono in diverse bande di energia: (Sopra) nell ottico e (sotto) nella banda gamma I contorni in bianco sono le rivelazioni X (satellite RXTE). Sovrapposto ad una bella immagine in infrarosso (vedi sotto)

16 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.

17 Sombrero Galaxy in diverse bande: 28 milioni di anni duce dalla terra: Chandra Hubble S. T Spitzer S. T.

18 M31: la Galassia di Andromeda Nell Ottico, nell IR (in basso) e nella banda X (in alto a dx)

19 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.

20 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

21 Parliamo di Buchi neri e stelle di neutroni Un po di Evoluzione Stellare atomi al cm3 à protostella 15 milioni di gradi Celsius Inizia la fusione: deuterio + deuterio à elio

22 Nana Bianca Elettroni al lavoro!! Temperatura superficiale K Raggio= raggio terrestre Densita = 1 tonnellata al cm3

23 Stella di neutroni: Neutroni al lavoro! Massa tipica masse solari Raggio= 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.

24 Le dimensioni nei confronti della Terra

25 Un possibile scenario

31 Come sono fatti i telescopi per vedere i raggi X? Non cosi!!!

32 Radio Luce UV - IR Raggi X e γ

distinguere i vari oggetti nel cielo Copertura spettrale

33 Caratteristiche di una missione per astrofisica X e γ Imaging Capacità di risolvere le singole parti di un oggetto o di distinguere i vari oggetti nel cielo Copertura spettrale Capacità di osservare un oggetto su un ampio intervallo di lunghezze d onda

34 Sensibilità Capacità di raccogliere i fotoni Risoluzione energetica Capacità di risolvere le componenti dello spettro a diverse lunghezze d onda

35 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

36 Tecnica di focalizzazione utilizzata dal satellite dell Agenzia Spaziale Europea XMM-Newton, il telescopio a raggi X più sensibile mai costruito operante nella banda kev

37 Scintillatori e fotomoltiplicatori

38 Il maggior successo dell Astrofisica delle Alte Energie BeppoSAX ( kev Quattro strumenti a piccolo campo ( ( kev Due rivelatori a grande campo (3-30 ( kev Un Gamma Ray Burst monitor (60-600

39 Gli strumenti a bordo di BeppoSAX ( energia HP (spettri alta MECS: spettri e e immagini ( energia PDS (spettri alta LECS: spettri e e immagini

40 I Gamma Ray Bursts: il fenomeno più energetico dell Universo dopo il Big Bang

41 Il primo studio sistematico dei GRB: l esperimento BATSE a bordo di CGRO

42 1997: SAX determina la posizione di un GRB. Emissione X e ottica Possibile l identificazione Telesc. Spaz. 3/3 28/2 8/3

43 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 J Scoperta del primo afterglow X

44 Caratteristiche principali dei GRB Oggetti comsologici!!!!!! (alto red-shift, z) Oggetti più luminosi del Cosmo: erg ( M sole c 2 ) Emissione: MeV!!!!!!!!!! ( s Durata: GRB corti s (media 0.3 ( s GRB lunghi s (media 30 Afterglow a frequenze X e ottiche : alcuni giorni Frequenza: 1 al giorno

45 Tipici GRB: curve di luce

46 Il satellite INTEGRAL ( MeV dell ESA (3 kev 1.5

47 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

48 Cos è una curva di luce?

50 Curva di luce di un GRB

51 Curva di luce di un sistema binario 1 a eclisse ; 2 visuale.

52 Curva di luce di un sistema binario a eclisse

53 Curva di luce

54 Immagini in banda X

56 Le Pleiadi

57 Coma Cluster (ROSAT)

58 Le maschere codificate come Trucco per creare le immagini

59 Per ciascuna direzione di incidenza dei fotoni si produce una differente ombra sul rivelatore

61 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 K!!!

62 Emissione non termica: particelle relativistiche Campo Magnetico B: Sincrotrone Campo Radiazione U: Compton Inverso Sincrotrone Compton

63 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

64 Spettro X di Cassiopea A

65 BeppoSAX Spettri RXTE INTEGRAL

67 Qual è il modello giusto Corona intorno alla stella? oppure Corona intorno al disco?

68 Processo fisico Rivelatore Effetti (fotoni,particelle) Pubblicazione dei risultati Dati osservati Interpretazione degli ( modelli ) osservabili Congressi Discussioni con la comunità, proposte di teorie alternative, o più complete

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