Osservazioni di Nuclei Galattici
Attivi con ARGO-YBJ
Relatore
Dott.ssa Silvia Vernetto
Candidato
Maria Luigia Chiarappa
Luglio 2004
L’astronomia gamma
L’astronomia dei raggi gamma, lo studio dei raggi cosmici di alta
energia e l’astronomia dei neutrini cosmici costituiscono quel
campo della ricerca che è detto “astrofisica delle alte energie”.
Il termine “raggio gamma” si usa per identificare la radiazione
elettromagnetica di energia maggiore di circa 1 MeV.
Radiazione Gamma
L’ampio intervallo di energia implica l’uso di diverse tecniche
sperimentali per la rivelazione.
1 MeV
1 GeV
Satellites
1 TeV
Cerenkov
Telescopes
1 PeV
EAS arrays
1 Eev
Tecniche di rivelazione
Rivelatori su satelliti: usati per rivelare raggi γ con
un’energia compresa tra ~ 1 MeV e alcune decine di GeV.
Telescopi Cerenkov (ACT): usati nell’intervallo di energia
che va da ~ 100 GeV a ~ 100 TeV. Gli ACT rivelano la
radiazione Cerenkov prodotta nell’atmosfera dalle particelle
relativistiche secondarie cariche degli sciami elttromagnetici
prodotti dai raggi gamma primari.
Apparati a sciame: costituiti da numerosi rivelatori
distribuiti su una superficie in grado di rivelare il passaggio
del fronte dello sciame; lavorano ad energie al di sopra di ~
10 TeV.
Apparati a sciame di nuova generazione
Un apparato a sciame può lavorare nell’intervallo di energia dei
telescopi Cerenkov (energia dei primari E > 100 GeV) con queste
due tecniche:
utilizzando una copertura totale di rivelazione (full coverage)
in modo da poter osservare anche sciami molto piccoli
(~ 50-100 particelle).
lavorando ad alta quota (h > 4000 m) in modo da osservare lo
sciame più vicino al suo massimo sviluppo.
Esperimento ARGO-YBJ
Laboratorio di Raggi
Cosmici di
(Tibet, Cina)
Yangbajing
4300 m s.l.m.
30,1° latitudine Nord
Sito di ARGO-YBJ
ARGO-YBJ
Yangbajing village
4300 m
Il Rivelatore
Rivelatore:
tappeto
di
Resistive Plate Counters
(RPCs) coperto da 0,5 cm Pb
Area totale: 6700 m2
Full coverage carpet
78 x 75 m2 circondato da
un anello 111 x 99 m2
Mappa delle sorgenti (E ~ 1 TeV)
In 2004 :
18 sources
( 8 seen by more
than one group )
Galactic sources
3 (1) Pulsar
nebulae (plerions)
3 (1) Supernova
remnants
1 (0) X-ray binary
1 (0) OB
association
Extragalactic sources
8 (6) AGNs (blazars)
1 (0) Starburst Galaxy
1 (0) Radio Galaxy
Nuclei Galattici Attivi (AGN)
Per Nucleo Galattico Attivo (AGN) si intende la regione centrale di una galassia
la cui emissione di radiazione non è ascrivibile ai normali processi stellari. La
luminosità tipica è 1048 erg/s, questa potenza è dovuta all’accresimento di materia
attorno ad un buco nero supermassivo (108 Mo) posto al centro della galassia.
Caratteristiche degli AGN:
nucleo con alta luminosità
L > 1048 erg/s
(nostra Galassia: L ~ 1044 erg/s)
spettro non termico
grande variabilità della luminosità
Esistono diversi tipi di AGN:
• Radio-loud: costituiscono il 10% degli AGN. Sono caratterizzati dalla presenza
di due getti relativistici di materia e radiazione che si estendono
simmetricamente dalla regione centrale per centinaia di parsec.
• Radio-quiet: costituiscono il 90% degli AGN, sono deboli sorgenti radio.
Radio quiet (90%)
Seyfert Galaxies
Quasars
Radio Loud (10%)
Radio Galaxies
Radio Quasars
Blazars
Di particolare importanza per la gamma astronomia sono i blazars: AGN Radioloud i cui getti relativistici sono diretti verso di noi.
Processi fisici che producono
Raggi Gamma
Bremsstrahlung : processo di emissione di radiazione elettromagnetica
da parte di
nucleo atomico.
un
elettrone
nel
campo
elettrico
di
un
Radiazione di sincrotrone : radiazione emessa da un elettrone relativistico
sotto l’effetto di un campo magnetico.
Effetto Compton inverso: un elettrone di alta energia diffonde su un
fotone di bassa energia trasformandolo in un fotone di energia
molto maggiore.
Interazione adroniche: I raggi gamma prodotti nei processi adronici
provengono essenzialmente dal decadimento del pione neutro.
Emissione dei blazar
1995
1996
1997
MRK 421
1998
Modello Synchrotron Self Compton (SSC):
1° picco: radiazione di sincrotrone
2° picco: effetto Compton Inverso
MRK 501
Curva di luce in gamma di alta energia
AGN analizzati
Sorgenti extragalattiche osservate ai TeV da telescopi
Cerenkov
Catalogo dei BL Lac candidati per l’emissione ai TeV di
L. Costamante e G. Ghisellini (A&A 384,56,2002)
Catalogo Blazars osservati in X da BeppoSax
Abbiamo selezionato sorgenti con declinazione compresa tra -9,89° e
+70,11°, perché questi oggetti culminano alla latitudine di ARGO
con angolo zenitale inferiore ai 40°.
Spettro in energia di 1ES 0033+595
Distribuzione del flusso di energia corrispondente al picco di sincrotrone
-14
BL lacs
υ f(υ)
erg cm-2 s-1
-13
-12
-11
-10
-9
-8
12
13
14
15
16
17
18
Log frequency υ [Hz]
19
-14
υ f(υ)
erg cm-2 s-1
-13
-12
-11
-10
-9
QSO
-8
12
13
14
15
16
Log frequency υ [Hz]
17
Dopo la selezione (E > 1016
Hz) sono rimasti 18 blazar
candidati all’emissione ai
TeV
Nome sorgente
Declinazione
Redshift
M87
12,21
0,004
1722+119
11,90
0,018
MRK 421
38,13
0,031
MRK 501
39,75
0,034
1ES2344
51,40
0,044
1ES1959+650
65,00
0,047
0214+517
51,70
0,049
Nome sorgente
Declinazione
Redshift
1727+502
50,20
0,055
1011+496
49,60
0,200
BL Lacertae
42,00
0,069
EXO1215.3+3022
30,30
0,237
1ES1741+196
19,60
0,084
EXO1415.6+2557
25,72
0,237
1ES0033+595
59,50
0,086
1ES1627+402
40,13
0,272
EXO 118.0+4228
42,20
0,124
1ES0120+340
34,35
0,272
H1426
42,80
0,129
1H1219+301
30,18
0,130
1H0414+009
1,09
0,287
1136.5+6737
67,37
0,135
MS0158.5+0019
0,57
0,299
0806+524
52,40
0,138
OJ287/0851+203
20,30
0,306
0229+200
20,00
0,139
1ES0502+675
67,62
0,314
1114+202
20,20
0,139
PG1553+113
11,30
0,360
1ES1255+244
24,21
0,141
1ES1028+511
50,89
0,361
1H0323+022
2,42
0,147
3C66A
42,48
0,444
1440+122
12,20
0,162
1H1515+660
65,42
0,702
1218+304
30,40
0,182
1RXSJ121158.1
22,71
0,770
1ES0927+500
49,84
0,188
1ES1533+535
53,34
0,890
MS0317.0+1834
18,76
0,190
39 Sorgenti studiate
Distribuzione dei redshift
10
6
4
2
redshift (z)
Distribuzione dei redshift dei 39 oggetti
1
0,
9
0,
8
0,
7
0,
6
0,
5
0,
4
0,
3
0,
2
0,
1
0
0
n° AGN
8
Valutazione della sensibilità di ARGO nelle osservazioni di AGN
1)Modello di spettro di AGN: spettro di potenza con assorbimento dovuto
alla radiazione di background extragalattico (infrarosso, ottico) [Jager and
Stecker, ApJ 566, 738, 2002]
dN
kE2e ( E , z )
dE
2) Simulazione del cammino giornaliero della sorgente sulla volta celeste
(angolo zenitale < 40°)
Tempo di osservazione (h)
Tempo giornaliero di osservazione vs. declinazione
7
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Declinazione (gradi)
AGN con declinazione intorno a 25°- 50° sono visibili per più tempo da ARGO
3) Simulazione del flusso di raggi gamma dall’AGN e risposta del
rivelatore
4) Valutazione del numero di eventi giornalieri attesi sul rivelatore (sciami
con almeno 100 particelle):
- dalla sorgente
- dal fondo dei raggi cosmici
5) Confronto del segnale con il fondo
Valutazione del flusso necessario per osservare la
sorgente con significatività statistica maggiore
uguale a 5 sigma (σ)
Minimo flusso osservabile in 1 anno di misura
H1426+428
1ES1959+650
1ES2344+514
MRK 421
MRK 501
Crab Nebula
Flux
AGN osservati ai TeV
AGN
z
Flusso (Crab units)
MRK 501
0.031
0.1 - 3
MRK 421
0.034
0.4 - 13
1ES 2344+514
0.044
0.1 - 0.63
1ES 1959+650
0.048
0.6 – 5
1ES 1426+428
0.129
0.2
Conclusioni
Abbiamo valutato la sensibilita’ di ARGO nell’osservazione
di Nuclei Galattici Attivi di tipo blazar.
In un anno di osservazione ARGO ha una sensibilita’ pari a
frazioni di flusso Crab per AGN a basso redshift.
La sensibilita’ diminuisce con la distanza a causa
dell’assorbimento dei fotoni gamma nello spazio
extragalattico.
Grazie al suo ampio campo di vista (1.5 sr) ARGO puo’
monitorare con continuita’ il flusso delle sorgenti piu’ vicine
e rivelare eventuali periodi di alta attivita’ degli AGN piu’
lontani.
