Gli eventi più energetici dell’Universo:
i Lampi di Raggi Gamma celesti
Filippo Frontera
Dipartimento di Fisica, Università di Ferrara
Corso di Eccellenza 2012
Lezione del 12/03/2012
Sonda principale per conoscere l’universo: la
radiazione elettromagnetica
L’universo violento in raggi X
Lampi di raggi gamma
Scoperta Lampi Gamma
• Negli anni ‘60 con satelliti spia americani VELA.
• Annuncio alla comunità scientifica nel ‘73 (R. Klebesadel, I.
Strong & R. Olson)
Vela satellites
Questioni più importanti
Chi sono loro progenitori? Stelle normali? Stelle
compatte? Comete? Fenomeni che occrrono nello
spazio interstellare?
A che distanza avvengono? Sono vicini a noi,
accadono nella nostra Galassia (la Via Lattea) o
hanno origine in galassie molto lontane?
Qual’e’ l’energia liberata?
Come affrontare tutti questi problemi?
• localizzare bene la direzione di arrivo:
• molto difficile in gamma;
• Allora: trovare le controparti dei raggi gamma
ad altre lunghezze d’onda.
• Nuovi oggetti o già esistenti?
Dalla loro scoperta fino al lancio di
BeppoSAX
• Molte missioni da
satelliti sia americane
che russe;
• Nessuno risultato
sull’origine dei GRB
(posizioni grossolane,
nessuna controparte);
• Il maggiore sforzo con
esperimento spaziale
americano: BATSE
(1991-2000)
Principali risultati BATSE
Dal dibattito del 1995 al Baird Auditorium dello
“Smithsonian museum of Natural History” a
Washinghton DC (USA)
• Bodhan Paczynski: “Allo stato attuale, la distanza
cosmologica è fortemente favorita su quella Galattica, ma
deve essere dimostrata. ….Al momento non abbiamo
un’idea circa la nature dei GRB, anche se più di un
centinaio di proposte o suggerimenti sono pubblicati nei
giornali scientifici.”
• Don Lamb: “Noi non conosciamo la scala di distanza dei
GRB. Ma, dalle recente scoperta che molte stelle di
neutroni possiedono velocità abbastanza elevate tali da
allontanarsi dalla Via Lattea, porta a concludere che
queste NS costituiscono una “alone” Galattico sconosciuto
in precedenza. Quest’alone è isotropo quando visto dalla
Terra, e di conseguenza, la popolazione delle NS in esso
possono facilmente spiegare la distribuzione angolare e in
brillanza dei GBR di BATSE”
La rivoluzione di BeppoSAX
• Nel Febbraio 1997, a soli
6 mesi dall’inizio della
fase operativa,
BeppoSAX ha consentito
di stabilire che:
• I GRB sono immense
esplosioni in galassie a
distanza cosmologica.
• Ma perche BeppoSAX?
Proposta SAX (1981)
• Inizialmente non era
previsto lo studio dei
Lampi Gamma.
Un monitore di Lampi Gamma (GRBM)
per SAX
• Proposto da FF nel 1984.
• Motivazioni:
– Alcuni dei lampi identificati
dal GRBM potevano essere
localizzati accuratamente con
le WFC, e quindi:
– Alcuni potevano essere
osservati
• con i telescopi X di SAX per
determinarne la direzione
• Con quelli ottici e radio di terra
per la ricerca della controparte.
BeppoSAX in orbita
• Lancio il 30 April 1996 da
Cape Canaveral.
• Messa in funzione: fine giugno
1996
• Verfica di funzionamento
scientifico: fine settembre
1996;
• Fase operativa: da Ottobre
1996.
Primo lampo localizzato
• Si riesce a localizzare un
lampo occorso il 20 luglio
1996 (GRB960720);
• E’ gia’ trascorso 1 mese.
• I telescopi X vengono
puntati nella sua direzione
ma non si trova nessuna
controparte.
•Due possibilità:
• niente dopo il lampo;
• la sorgente del lampo
si spegne velocemente.
Che fare?
• Era urgente
– minimizzare i tempi di localizzazione
dell’evento;
– Puntare rapidamente i telescopi X in
direzione dell’evento;
– Allertare gli astronomi per il
puntamento dei telescopi ottici/radio
in direzione del lampo.
La scoperta
•
•
•
Il 28 febbraio 1997 il primo lampo viene individuato
con GRBM e subito localizzato con WFC;
I telescopi a campo stretto vengono puntati
rapidamente in direzione del lampo;
Una sorgente X in rapido spegnimento (postluminescenza X) viene scoperta.
La scoperta della controparte ottica
• Le coordinate del
lampo vengono
subito trasmesse a
telescopi ottici.
• Il telescopio W.
Hershel (Canarie) è
il primo a scoprire la
controparte ottica
della sorgente X,
anch’essa in rapido
spegnimento.
Miglioramento della posizione col
satellite X tedesco ROSAT
• ROSAT aveva a bordo il
telescopio X più sensibile a
quell’epoca. Ho richiesto
un’osservazione veloce del
lampo. La proposta fu
accettata e l’osservazione
eseguita 10 gg dopo.
FF+1998
In tal modo l’incertezza nella
posizione si ridusse a circa 5
secondi d’arco.
Fasi della scoperta
SAX – GRBM
parecchi gradi
100 min
SAX – WFC
5-3 arcmin
3h
SAX – NFI
1 arcmin
8h
Optical Telescopes
1 arcsec
2-10d
Hubble
0.2 arcsec
1 month
• Ogni successiva posizione ha un’incertezza che m igliora la
precedente e contiene sem pre un oggetto in via spegnim ento.
• Lo spegnim ento della luce non è esponenziale com e di solito si
trova, m a è una legge di potenza, in tutte le bande della luce.
Si tratta quindi dello stesso oggetto.
Dove si è verificato il lampo?
GRB970228
• Il telescopio spaziale
Hubble mostra che il
lampo è occorso
all’interno di una
nebulosità,
probabilmente in una
galassia lontana.
• Ma la risposta
definitiva si ha due
mesi dopo …
HST image
Scoperta della distanza dei Lampi
Gamma
• L’8 maggio 1997 un
altro lampo viene
individuato e
localizzato con
BeppoSAX.
• Anche la luce ottica
viene vista, che
fortunatamente è
molto più intensa.
• Col grande telescopio Keck
da 8 m (Hawai), è possibile
misurare lo spettro della
luce.
• Esso mostra righe di
assorbimento spostate verso
il rosso per effetto
dell’espansione cosmologica
dell’Universo.
• Viene così misurata la
distanza: miliardi di anni
luce.
• Il mistero della distanza dei
GRB viene finalmente risolto
dopo circa 30 anni
GRB 970508
La scoperta della controparte radio
di GRB970508
• La prima scoperta di
un GRB radio fu
fatta col radio
telescopio americano
VLA.
• Dalla variabilità
osservata, sorgente
di dimensioni molto
piccole (1 micro
arcsec) in rapida
espansione.
Frail+ 1997
Prime conseguenze della misura della
distanza
Nota la distanza (circa 10 miliardi di anni luce), si
può misurare l’energia rilasciata nel lampo GRB
970508:
Eiso ∼ 1052 ergs (1045 Joule)
• Valore immenso: secondo solo all’energia liberata
nel BIG BANG, che ha dato origine al nostro
Universo.
Il 14 dicembre 1997 abbiamo visto un altro lampo
(GRB 971214) a distanza ancora maggiore (1053
ergs → 0.14 mʘ×c2).
Risonanza internazionale
Per due anni (1997-1999) le scoperte sui GRB sono state
classificate da “Science” fra le “top ten” scopert più
importanti al mondo e su tutti I campi della scienza.
Sono stati assegnati vari premi internazionali, tra cui il
premio “Enrico Fermi 2010”
La scoperta delle ipernove con
BeppoSAX
Fireball
I progenitori dei lampi Gamma
Lampi Gamma lunghi dal collasso di stelle
di grande massa (30-50 Msun ) 1/2
Lampi Gamma lunghi dal collasso di
stelle di grande massa
2/2
Lampi Gamma brevi dalla fusione di due
stelle compatte
1/2
Lampi Gamma brevi dalla fusione di due
stelle compatte
2/2
Conclusione
• La scoperta
dell’origine
extraglattica dei
GRB con BeppoSAX
continuerà a
spingere in avanti
le frontiere della
nostra conoscenza
dell’Universo per
molti anni.
