La sinfonia dei fotoni
Il cielo X e Gamma: concerto per soprano
Parte I
Santina Piraino
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (IASF) –sezione di Palermo
17 Marzo 2005
Santina Piraino
1
Lo spettro elettromagnetico
1
100
10 000
E = h ν = hc / λ
17 Marzo 2005
Santina Piraino
10 milioni
10 miliardi
gradi K
1 nanometro=10-7cm
1 °K = (1 + 273) °C
2
Lo spettro elettromagnetico
Gli intervalli di energia corrispondenti all’ultravioletto estremo e alle bande di raggi X e gamma sono motivi di dibattito.
Gli astronomi che studiano le sorgenti cosmiche ad alta energia hanno fatto le seguenti assunzioni.
BANDA
LUNGHEZZA D’ONDA
ENERGIA
N° DI DECADI
Radio: metro+
> 100 cm
---
> 3.0
Radio: cm + dm
1 - 100 cm
---
2.0
Radio: mm
0.1 - 1 cm
---
1.0
0.01 - 0.1 cm
0.001 - 0.01 eV
1.0
1 - 100 um
0.01 - 1.2 eV
2.0
IR vicino
7000 - 10000 A
1.2 - 1.8 eV
0.15
Visibile
3200 - 7000 A
1.8 - 3.9 eV
0.3
UV
900 - 3200 A
3.9 - 14 eV
0.6
EUV
100 - 900 A
14. - 124 eV
1.0
Raggi X
0.25 - 100 A
0.12 - 50 keV
2.6
Raggi X molli
2.5 - 100 A
0.12 - 5 keV
1.6
Raggi X duri
0.25 - 2.5 A
5 - 50 kev
1.0
< 0.25 A
> 50 keV
> 8.0
Sub-mm/Thz
IR
Raggi γ
17 Marzo 2005
Santina Piraino
1 A = 10-8 cm
1 eV = 1.60 x 10-12 erg
1 keV = 1.60 x 10-9 erg
3
I raggi X, la scoperta
Wilhelm Conrad Röntgen
8 Novembre 1885: Röntgen, scopre per caso i raggi X.
Röntgen, sta compiendo al buio degli esperimenti con un tubo a raggi
catodici, nel suo laboratorio, quando nota una luce verde proveniente da un
pezzo di cartone che si trova in un'altra parte della stanza. Il cartone è
ricoperto di una sostanza chimica luminescente, che risplende se colpita dalla
luce. Ma non c'e luce nel laboratorio.
Röntgen toglie la corrente al tubo catodico e quella luce verde sparisce. Ridà
corrente e mette la mano tra il tubo e il cartone: con suo grande stupore,
vede proiettata sul cartone l'ombra delle ossa della mano.
"Non avevo idea di cosa fossero quei raggi" scriverà in seguito "perciò li
chiamai semplicemente raggi X, essendo x il simbolo matematico di una
grandezza incognita".
Questi raggi "sconosciuti" passano attraverso la carta, il legno, la carne, ma non attraverso le ossa e i
metalli, e inoltre impressionano le lastre fotografiche.
La Ia radiografia umana a raggi X:
la mano della signora Röntgen
Nel 1901 riceve il premio Nobel
e dire che alle scuole primarie e secondarie
avuto una solo insufficienza: in fisica
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Santina Piraino
4
I processi fisici di emissione
Emissione per fotoemissione
Emissione di sincrotrone
Un elettrone veloce libero colpisce un elettrone legato dell’atomo e lo
fa passare in uno stato eccitato (livello superiore) cedendo parte della
sua energia. L’atomo si diseccita , l’elettrone ritorna nello stato di
minima energia, emettendo un fotone. Per i livelli più interni l’energia
del fotone è nella banda X
In presenza di un campo magnetico un elettrone spiraleggia
intorno alla direzione del campo. Se la sua velocità è molto elevata
l’elettrone perde energia emettendo radiazione X
Emissione per Compton inverso
Emissione per bremsstrahlung
Un fotone di grande lunghezza d’onda urta un elettrone molto veloce
che gli cede parte della sua energia trasformandolo in fotone X
17 Marzo 2005
Santina Piraino
Un elettrone molto veloce frena in prossimità di un protone o un
nucleo e rilascia parte della sua energia emettendo un fotone X
5
Che cosa è l’Astronomia X ?
Osservazione della radiazione X emessa da sorgenti cosmiche
I raggi X più energetici (E> 30 keV) riescono a penetrare l’aria per qualche metro (se così non fosse non sarebbero mai stati osservati, e la
strumentazione medica non funzionerebbe). Tuttavia l’atmosfera terrestre è spessa a sufficienza da impedire ai raggi X provenienti dallo spazio di
arrivare fino alla superficie terrestre
Per osservare la radiazione X dal cielo occorre portare i rivelatori X al di sopra dell’atmosfera. Come?
Voli su razzo (Campo di vista limitata. Durata limitata)
Nel 1949 con l’esperimento Navy’s posto sul razzo V2 viene fatta la Ia osservazione di raggi X
proveniente dal sole.
Voli in pallone (Range di energia
E>35 keV)
rivelatori X portati al di sopra di 35 km dal suolo
Lancio di HIREGS
Satelliti (Lunghe osservazioni e grandi campi di vista)
Rivelatori tenuti in orbita sopra l’atmosfera
17 Marzo 2005
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Come si raccolgono i fotoni X ? I TELESCOPI
Gli specchi o le lenti non permettono di deviare i
raggi X per mettere a fuoco un’immagine, come
accade per la luce visibile.
Riccardo Giacconi e Bruno Rossi propongono di
costruire specchi capaci di mettere a fuoco una
sorgente di raggi X, basati sul principio di
incidenza radente: i raggi X, mentre vengono
assorbiti da uno specchio posto quasi
perpendicolarmente al loro cammino, possono
essere riflessi da uno specchio molto inclinato, e
quindi quasi parallelo al loro cammino.
Per maggiori dettagli vedi
http://www.astropa.unipa.it/biblioteca/AstronomiaX/Indice.html
Per aumentare l'area di raccolta si usano
più specchi concentrici, che mettono a
fuoco i raggi incidenti tutti nello stesso
punto.
17 Marzo 2005
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7
Come si raccolgono i fotoni X ? I RIVELATORI
Non basta fare convergere i raggi X nel fuoco di un telescopio, ma bisogna anche mettere sul piano focale
uno strumento (rivelatore) capace di immagazzinare la radiazione ricevuta dallo spazio.
Come si misura l’energia dei fotone X ?
Il fotone X rilascia la sua energia nel rivelatore, provocando un qualche cambiamento. Misurando
il cambiamento possiamo determinare l’energia del fotone X incidente.
Il fotone X si ferma in un rivelatore cedendo la sua energia a un elettrone. Questo interagisce a cascata con
altri atomi liberando altri elettroni. Posso risalire all’energia del fotone X originario
•Raccogliendo e contando gli elettroni tramite l’applicazione di un campo
•Misurando la variazione di temperatura, dovuta al rilascio di energia all’interno del rivelatore, quando gli
atomi ritornano allo stato non eccitato.
Esistono diverse classi di rivelatori, ciascuno con pregi e difetti: Contatori Proporzionali, Piastre a
Microcanali, Rivelatori a semiconduttore, Scintillatori, etc
17 Marzo 2005
Santina Piraino
8
1962 L’esperimento AS&E
Gli anni pioneristici: anni 60 -70
Il 18 Giugno un team di scienziati dell’American
Science and Engineering (AS&E), tra i quali Bruno
Rossi e Riccardo Giacconi, lancia un razzo con su un
rivelatore X.
INIZIA L’ERA DELL’ASTRONOMIA X
Viene segnalata la presenza di una sorgente cosmica
di raggi X molto luminosa nella costellazione dello
Scorpione.
Sarà battezzata Scorpius X-1
1969 Vela 5A, 5B, 6A, 6B
Gli Stati Uniti lanciano 4 satelliti per
controllare i test nucleari. I satelliti Vela
scoprono l’esistenza di intensi lampi di
raggi X e di raggi γ.
20 Luglio Solo un piccolo passo
di un uomo, un grande balzo
per l’umanità ( N. Armstrong)
INIZIA L’ERA DELL’ASTRONOMIA γ
Il mistero dei lampi gamma rimarrà
irrisolto per quasi 30 anni.
17 Marzo 2005
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1970 Uhuru,
Viene lanciata dal Kenia la prima missione interamente dedicata all’Astronomia X
Range di Energia 2-20 keV
Bruno Rossi e Marjorie Townsend.
Uhuru, in lingua Swahili significa Liberta’.
Viene scelto questo nome per celebrare il 7°
anniversario dell’indipendenza del Kenia
Risultati
Capace di rilevare sorgenti fino a 1000 volte più deboli
della Nebulosa del Granchio (Crab)
Catalogo di 339 oggetti: sistemi binari di stelle,
resti di supernovae, galassie Seyfert, ammassi di galassie
17 Marzo 2005
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10
Gli anni 70 - 80
1974 Ariel V (0.3 - 40 keV)
1983 EXOSAT (ESA) (0.05 - 2 keV) per le immagini
(1-50 keV) per gli spettri di energia
•Pulsar di lungo periodo
•Transienti X
•Riga del ferro in sorgenti extragalattiche
•Emissione X da quasars
•QPOs nelle binarie X
•Variabilità negli AGN
•Nane bianche calde
1977 HEAO-1 (0.2 keV - 10 MeV)
primo di 3 satelliti HEAO,
ha il compito di realizzare una
panoramica generale del cielo
in preparazione alle future missioni
1987 Ginga
1978 EINSTEIN (0.2 keV – 4.5 keV)
HEAO-2: primo telescopio X
Osserva 50000 oggetti tra cui
•AGN
•Binarie X
•Resti di supernova
•Variabili cataclismiche
17 Marzo 2005
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(1 – 37 keV)
Osserva 350 sorgenti X
Scopre nuovi fenomeni
di emissione temporanea
11
Gli anni 90
1990 Rosat (0.2 – 2
keV)
1996 BeppoSAX
• Posizionamento (arcmin) dei
lampi gamma
• Controparte X di lampi gamma
• Spettroscopia a larga banda
di diverse classe di sorgenti X:
•Mappa completa del cielo a 2 keV
•Morfologia dei resti di supernovae
•5000 osservazioni
•150000 sorgenti
•Emissione X delle comete
1993 ASCA (0.4 – 10
1995 RXTE (2 – 100
nane bianche, stelle di neutroni,
buchi neri,AGN,ammassi di galassie,
resti di supernovae
keV)
•primo con rivelatori a stato solido
•Negli AGN esiste un nucleo
con gravità elevatissima
•Elementi prodotti da stelle negli
ammassi di galassie
(0.1 – 300 keV)
1999 CHANDRA
keV)
•KHz QPOs
•Periodo di rotazione di LMXRBs
•Spettroscopia e Timing
•di diverse classi di sorgenti X
(0.1 – 10 keV)
Altissima risoluzione in X.
Stessa nitidezza di un
telescopio ottico da terra
Ancora in funzione
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Gli ultimi anni
2000 XMM (0.2 – 12
2003 HETE-2
keV)
•Alta sensibilità
grazie a Telescopi X
con area efficace
grandissima e a
lunghe esposizioni
• Monitor ottico
2004 SWIFT
2002 INTEGRAL
•Mappa completa del cielo γ
•Alta risoluzione spaziale
•Alta risoluzione spettrale
•Multibanda:
Rivelatori γ X e ottico
IASF-PA:
•sviluppo software
per l’acquisizione dei dati
•calibrazione
17 Marzo 2005
• Studio dei lampi gamma
• Survey del cielo X.
Santina Piraino
Osservatorio multibanda:
telescopi gamma, X e
ultravioletto/ottico
(BAT,XRT,UVOT) .
BAT scopre il GRB;
trovata la posizione viene
ripuntato per seguire
l’afterglow in X,
ultravioletto e ottico
IASF-PA:
•calibrazione
13
Il futuro
2005 ASTRO-E (il lancio previsto
scorso febbraio è stato rinviato)
lo
2012 CONSTELLATION X
Telescopio gigante:
4 satelliti X orbitanti,
funzionanti all’unisono.
Sensibilità 100 volte
quella dei satelliti
attuali.
0.4-700 keV
Novità: spettrometro,
microcalorimetro, con
altissima risoluzione
energetica
.
2005-2007 AGILE
2012 XEUS
Telescopio gigante:
2 parti
Specchio di 10 m
da assemblare sulla
Stazione Spaziale
Internazionale
Ottima capacità di
immagine
nell’intervallo di
energia gamma e
nell’hard-X
(10-40 keV)
17 Marzo 2005
.
Santina Piraino
14
BeppoSAX
Satellite Italiano per l’ Astronomia X
Beppo in onore a Giuseppe Occhialini
17 Marzo 2005
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15
Il Satellite prima del lancio
17 Marzo 2005
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16
Gli strumenti: L’ HIGH PRESSURE GSPC (HPGSPC)
Progettato, seguito, calibrato dalla sezione di Palermo
dell’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (IASF-Pa).
Intervallo di energia 4-120 keV
17 Marzo 2005
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17
Il Medium Energy GSPC (MECS)
Una collaborazione tra IASF-Palermo e IASF-Milano
Intervallo di energia 1.8-10 keV
17 Marzo 2005
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18
Gli altri strumenti a bordo di BeppoSAX
Low Energy GSPC (LECS)
(0.1-10 keV)
.
Una delle due
Wide Field Cameras
(WFCs) (2-28 keV)
Phoswich Detection System (PDS)
(15-300 keV)
17 Marzo 2005
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IL LANCIO di BeppoSAX
Cape Canaveral
Florida
30 Aprile 1996
04:31:01 GMT.
17 Marzo 2005
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20
Il cielo X
Mosaico di immagini Chandra della regione centrale della via Lattea.
Nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri, in mezzo ad una nebbia incandescente di gas a
diversi milioni di gradi. Nel centro dell’immagine il centro galattico.
17 Marzo 2005
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21
http://www.brera.mi.astro.it/docB/poe/eXpo/Xfisica2.html
Le principali sorgenti X
• Resti di Supernovae
• Oggetti compatti
• Nuclei Galattici Attivi
• Lampi Gamma
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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Un Universo nuovo e violento
ovvero come muore una stella
•
•
•
17 Marzo 2005
Resti di Supernova
Stelle di neutroni: pulsar isolate e pulsar binarie X
Buchi neri
Santina Piraino
23
Evoluzione
L' attrazione fatale della gravità. I buchi neri dell'universo
Begelman Mitchell; Rees Martin ; Zanichelli
La vita di una stella è segnata da una lotta continua e
inesorabile contro la gravità…….
17 Marzo 2005
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24
Chi ostacola la gravità?
17 Marzo 2005
Santina Piraino
25
Il destino delle stelle in sovrappeso
17 Marzo 2005
Santina Piraino
26
…esplosione di supernova
Bilancio energetico del processo:
10% di energia liberata dal collasso per le reazioni di fissione
81% viene trasportata via dai neutrini prodotti durante la formazione dei
neutroni.
9% innesca l’esplosione, che scaglia lontano la superficie della stella
(supernova)
http://jrscience.wcp.muohio.edu/movies/sn1987.mov
Rate di esplosioni di supernova nella nostra
galassia: 1 –2 per secolo
Æeventi rari: negli ultimi 2000 anni,
soltanto 6 supernove sono state osservate,
l'ultima delle quali nel 1604.
ÆLa nostra grande occasione: evento della
Supernova 1987A nella galassia vicina
della Grande nube di Magellano il 23
febbraio 1987. Æ Conferma della teoria.
17 Marzo 2005
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Resti di supernovae
La Nebulosa del Granchio (Crab) in ottico
17 Marzo 2005
La Nebulosa del Granchio vista in X
da Chandra
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Resti di supernovae
CAS A
17 Marzo 2005
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Pulsars isolate
(stelle di neutroni rotanti)
Fino alla scoperta da parte dei radio astronomi Jocelyn Bell e Antony Hewish le pulsar
esistevano solo nella mente dei fisici teorici.
Cosa è una stella di neutroni: Stato bizzarro della materia, una massa pari a quella del Sole in
una sfera di 15-30 km di raggio. Come dire l’ Everest ridotto alle dimensioni di un pompelmo.
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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Il battito della Crab
By Alberto Segreto INAF-IASF-Palermo
Profili dell’impulso osservati da BeppoSAX.
Il periodo della Crab è 33 millisecondi
http://jrscience.wcp.muohio.edu/movies/crabanim.mov
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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Pulsar X in sistemi binari I
http://heasarc.gsfc.nasa.gov/Videos/general/binary.avi
Cen X3 è un sistema di due stelle: una stella
compatta, una pulsar, che ruota attorno ad una
stella normale (Super Giant O type). Quando la
pulsar si nasconde dietro la compagna il sistema è
in eclisse.
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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Binarie-X
con una stella di neutroni
HMXB
High Mass X-Ray Binaries
LMXB
Low Mass X-Ray Binaries
Trasferimento di massa tramite disco di accrescimento
Produzione di raggi X nel plasma vicino la superficie della stella di
neutroni a T ∼ 107 K
Rilascio di energia gravitazionale
Velocità della materia in caduta 0.5 c
17 Marzo 2005
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X-ray Binaries by van den Heuvel and van Paradijs
1993 Scientific American Inc
Dischi di accrescimento
17 Marzo 2005
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Sistemi Binari di piccola massa (LMXBs)
Emissione X dal disco
• estrazione di momento angolare
• dissipazione di energia
Emissione X da jet relativistici
17 Marzo 2005
Santina Piraino
35
Esempio di spettro di energia di una LMXB
osservato con BeppoSAX
S. Piraino et al. 1999 A&A, 349L
17 Marzo 2005
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Buchi Neri
oltre l’ immaginabile
1971: scoperta di una stella compatta con una massa
superiore a 3 volte quella del sole scuote il mondo dell’
astrofisica: Cyg X-1 e’ il primo candidato Buco Nero
Attorno alla stella Gigante (30 Masse solari)
HDE226868 ruota un mostro compatto la cui massa è
circa 15 masse solari
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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Buchi Neri II
Se la stella originaria ha più di tre masse
solari la gravità non potrà essere bilanciata:
la stella si evolverà in una singolarità da cui
la luce non può fuggire
http://heasarc.gsfc.nasa.gov/Videos/general/blackhole.avi
“C’è un cerchio magico oltre il quale non
possiamo andare, oltre il quale nessuna misura
puo’ descrivere il mondo”
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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Nuclei Galattici Attivi (AGN)
I mostri del cielo
Si pensa che nel nucleo di questi oggetti vi sia un mostruoso buco nero:
la sua massa e’ circa di 106 -109 masse solari.
Sono oggetti lontani, alcuni ai confini dell’ Universo.
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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(AGN) I mostri del cielo II
Oggetti dai nomi esotici: Galassie di Seyfert, Quasars, BL LAC.
Oggetti immensamente lontani e sicuramente i più luminosi
dell‘Universo.
17 Marzo 2005
Santina Piraino
40
I Lampi di raggi Gamma
Gamma Ray Bursts
http://imagine.gsfc.nasa.gov/Videos/GRO/bursters.avi
Improvvisi lampi di altissima energia
che provengono inaspettatamente da
ogni possibile punto dell‘ Universo.
Se ne osserva circa 1 al giorno.
Il grande dibattito:
Provengono dalla galassia ?
Da un alone attorno alla galassia?
Da distanze cosmologiche?
17 Marzo 2005
Santina Piraino
41
Grazie a BeppoSAX pero’……..
Gli astronomi hanno scoperto, come conseguenza dei lampi gamma, il fenomeno degli Afterglows.
L’Afterglow consiste in un processo di propagazione e ridistribuzione dell’energia liberata dalle
esplosioni gamma. Questa energia viene riconvertita, presumibilmente anche attraverso
l’interazione con il mezzo interstellare circostante, e irraggiata nella banda X.
HUBBLE
17 Marzo 2005
Santina Piraino
42
Tra gli eventi più energetici dell’Universo…..GRB971214
17 Marzo 2005
Santina Piraino
43
GRB971214 in ottico….
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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…Lo Space Telescope lo associa ad un oggetto
distante 12 miliardi di anni
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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Modelli di Lampi Gamma
http://imagine.gsfc.nasa.gov/Videos//2models.avi
http://imagine.gsfc.nasa.gov/Videos/grb.avi
17 Marzo 2005
Santina Piraino
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