Astrofisica Spaziale:i vari “colori” dell’Universo

e come vederli

Riccardo Campana, Ettore Del Monte, Yuri Evangelista, Sergio Fabiani, Fabio Muleri

Gruppo di Astrofisica delle Alte EnergieINAF/IASF-Roma

Il cielo secondo Van Gogh

1. La radiazione elettromagnetica e le sue bande2. L’universo nelle varie bande dello spettro

elettromagnetico3. Fenomeni fisici nelle varie bande4. Come osservare il cielo “a colori”5. L’Astrofisica delle Alte Energie: l’universo nei raggi X e

gamma (nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri, nuclei galattici attivi, gamma-ray bursts)

6. Tecniche sperimentali dell’Astrofisica delle Alte Energie

Sommario

Un’onda EM è composta da un campo elettrico e da un campo magnetico oscillanti, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione.

La distanza tra due creste successive è la lunghezza d’onda.

La luce è un’onda elettromagnetica

Non tutta la luce arriva a noi: l’atmosfera assorbe!ALTITUDINE

La Via Lattea in luce visibile

Galassie

La Via Lattea nelle onde radio

http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/Tour.html

Centro Galattico (Sgr A*) Radio pulsar

Nuclei Galattici Attivi

La Via Lattea nell’infrarosso

http://www.ipac.caltech.edu/Outreach/Gallery/IRAS/allsky.html

Regioni di formazione stellare

Galassie

La Via Lattea nei raggi gamma

Gamma pulsar

Nuclei Galattici AttiviMappa del satellite italiano AGILE

Che cosa vediamo nelle varie bande?

1. Nel radio e nelle microonde l’emissione è principalmente dovuta al movimento di elettroni e raggi cosmici lungo le linee del campo magnetico galattico.

2. Nell’infrarosso domina l’emissione termica di polveri interstellari e delle regioni di formazione stellare.

3. Nel visibile domina l’emissione delle stelle e delle galassie.

4. Nei raggi X e gamma vediamo l’universo violento: fenomeni associati alla morte delle stelle, all’accelerazione di particelle ad altissima energia, all’accrescimento di materia su stelle di neutroni e buchi neri.

Alle varie bande dello spettro elettromagnetico corrispondono

fenomeni fisici diversi e caratteristici.

L’astrofisica...semplificata

• Per “alte energie” si intende la zona dello spettro EM caratterizzata da piccole lunghezze d’onda e quindi grandi frequenze ed energie: raggi X e raggi gamma

• L’ “universo violento”: l’emissione X e gamma nell’universo è associata alla morte delle stelle ed a fortissimi campi gravitazionali e magnetici

• Il nostro gruppo si occupa della costruzione di strumenti per “vedere” i raggi X e gamma provenienti dall’universo

• Questi strumenti vengono posti a bordo di satelliti orbitanti

L’astrofisica delle Alte Energie

➡ Le nane bianche➡ Le stelle di neutroni➡ I buchi neri➡ I Gamma Ray Bursts

Lo “zoo” ad alte energie

Tra gli oggetti celesti che emettono raggi X e raggi gamma, ricordiamo:

Spesso questi oggetti sono sistemi binari in cui vi è trasferimento di

materia da una stella all’altra, mediante un disco di accrescimento.

• Massa: circa 1 MSole (2*1030 kg)

• Raggio: circa 1 RTerra (6371 km)

• Progenitore: collasso gravitazionale del nucleo di stelle medio-piccole (circa 1 MSole)

• Si trovano spesso in sistemi binari con stelle normali (non collassate)

• Emissione: termica (nel visibile), da disco di accrescimento (nei raggi X)

Sirio

Sirio B

Nane bianche

• Massa: circa 1.4 MSole (3*1030 kg)

• Raggio: circa 10 km

• Progenitore: collasso gravitazionale del nucleo di stelle massicce dopo l’esplosione di Supernova

• Emissione: pulsar (radio, gamma, ottico), accrescimento (raggi X)

•Dotate di fortissimi campi magnetici

• Si trovano isolate o in sistemi binari

La pulsar della Nebulosa Granchio

Stelle di neutroni

(prossimamente su questi schermi)

• Massa: da 1.4 MSole (3*1030 kg) a 10 MSole (2*1031 kg)

• Raggio: circa 3 – 30 km

• Progenitore: collasso gravitazionale del nucleo di stelle molto massicce dopo l’esplosione di Supernova

• Emissione: getti (radio, gamma, ottico), accrescimento (raggi X)

• Sono visibili solo se si trovano in sistemi binari, attraverso l’emissione del disco di accrescimento

Buchi neri (galattici)

• Massa: buchi neri da 106 MSole (2*1036 kg) fino a 108 MSole (2*1038 kg)

• Progenitore: possibile fusione di un buco nero centrale con altre stelle

• Emissione: tutto lo spettro! Getti (radio, gamma, ottico), accrescimento (IR, ottico, UV, raggi X)

• Probabilmente tutte le galassie hanno attraversato una fase attiva.

Nuclei galattici attivi

• Scoperti negli anni ‘60 cercando test nucleari nell’atmosfera

• Lampi brevi (0.1 s – 100 s) e molto intensi di raggi X e gamma

• Circa 1 – 3 al giorno da tutte le direzioni in cielo

• Progenitore: collasso di stelle supermassive, fusione di sistemi binari (buchi neri, stelle di neutroni)

Gamma-ray Bursts

L’accrescimento

L’accrescimento

Come nasce una binaria?

Come nasce una binaria?

La Nebulosa Granchio

La Nebulosa Granchio

Come osservare l’universo nelle varie bande?

Text

A varie bande dello spettro elettromagnetico corrispondono diverse tecniche osservative, da Terra o dallo spazio.

Ciascuna banda ha le sue peculiarità e le sue difficoltà.

➡Nel radio e nelle microonde si usano antenne e radiotelescopi

➡Nell’infrarosso, visibile e ultravioletto si usano telescopi, rifrattori o riflettori

➡Nell’X e nel gamma si usano ottiche ad incidenza radente, maschere codificate e tracciatori di particelle.

In generale: radio, vicino infrarosso e visibile sono osservabili da terra, per le altre bande bisogna andare nello spazio (p.e. a bordo di satelliti)

Radiotelescopi

Telescopi ottici

Ottiche ad incidenza radente per raggi X

Il disastro è cominciato quando

ho lasciato la scuola...

Non ti preoccupare, io ho una laurea e un dottorato di ricerca...

Pensate ad una carriera in astrofisica?

Backup slides

L’Universo emette microonde!

La Radiazione di Fondo Cosmico corrisponde a quella di un corpo nero ad una temperatura T = 2.725 K (-270 gradi). Blu e rosso, nella figura, indicano variazioni

di 0.0002 gradi rispetto alla media.

Satellite WMAP