Istituto Nazionale di Astrofisica

Osservatorio astronomico di Brera

Universo in fioreUniverso in fiore

data

Le piu’ violente esplosioni Le piu’ violente esplosioni dell’Universodell’Universo

Gabriele GhiselliniGabriele Ghisellini

gabriele.ghisellini@brera.inaf.itgabriele.ghisellini@brera.inaf.it

INAF-Osservatorio Astronomico di BreraINAF-Osservatorio Astronomico di Brera

Viviamo in un periodo fortunato… La nostra stella e’ tranquilla e la nostra atmosfera ci protegge, insieme al campo magnetico terrestre.

Negli ultimi 10.000 anni il clima e’ stato relativamente stabile e questo ha favorito la nascita e lo sviluppo dell’agricoltura.

Questo ha permesso di avere una buona riserva di cibo.

E questo ha permesso che qualcuno potesse dedicarsi alla scienza.

Ma in altre parti dell’Universo le cose non sono cosi’ tranquille….

La madre di tutte le esplosioni: il Big

Bang

13.7 miliardi di anni fa…

0.01 secondi dall’inizio

Temperatura=100 miliardi di gradi

Si formano protoni, neutroni, elettroni e neutrini. Il protone e’ il nucleo dell’idrogeno. Quindi tutto l’idrogeno dell’Universo ha 13.7 miliardi di anni.

Nei primi 3 minuti si forma l’elio. Temperatura:~1miliardo di gradi. Non si formano gli altri elementi.

dopo qualche miliardo di anni… i semi crescono

100 miliardi di galassie e proto-galassie, disposte in filamenti e

“noduli”

e adesso…

SpiraleEllittica

PeculiareIrregolare

Noi siamo qui10

0.00

0 an

ni lu

ce

100.

000

anni

luce

La via Lattea

~100 miliardi di stelle

Ogni secondo, il Sole converte in energia una massa di 2 milioni di tonnellate (E=Mc2). Idrogeno Elio

Funziona da 5 miliardi di anni, e continuera’ per altri 4-5 miliardi, quando tutto l’idrogeno del nucleo (10%) sara’ stato “bruciato”. E poi?

Idrogeno Elio nel nucleo

Nana biancaNana bianca

Nana BiancaRaggio: 10.000 km (circa come la terra)Massa: 0.7 volte quella del sole

Alta densità:1 cucchiaino 1 tonnellata!

All’inizio: 100.000 gradi (bianca). Poi si raffredda (nana bruna).

Il sole converte idrogeno in elio. E gli altri elementi? Noi per esempio…

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

7

ossigeno 65%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

7

ossigeno 65%

carbonio 18%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

7

ossigeno 65%

carbonio 18%

idrogeno 10%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

7

ossigeno 65%

carbonio 18%

idrogeno 10%

azoto 3%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

7

ossigeno 65%

carbonio 18%

idrogeno 10%

azoto 3%

calcio 1.5%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

7

ossigeno 65%

carbonio 18%

idrogeno 10%

azoto 3%

calcio 1.5%

fosforo 1.2%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

7

ossigeno 65%

carbonio 18%

idrogeno 10%

azoto 3%

calcio 1.5%

fosforo 1.2%potassio, zolfo cloro, sodio, magnesio, ferro, cobalto, rame, zinco, iodio, selenio, fluoro

~1%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

799%

ossigeno 65%

carbonio 18%

idrogenoidrogeno 10% 10%

azoto 3%

calcio 1.5%

fosforo 1.2%potassio, zolfo cloro, sodio, magnesio, ferro, cobalto, rame, zinco, iodio, selenio, fluoro

~1%

Noi siamo fatti di…

1

2

3

4

5

6

799%

13.7 miliardi di 13.7 miliardi di annianni

Stelle come il Sole bruciano l’idrogeno del loro nucleo, ma non fanno elementi piu’ pesanti dell’elio.

Non e’ stato il Sole a fare gli elementi che ci sono sulla Terra.

Non e’ stato il Big Bang.

Chi e’ stato?

Sole

Tipo: supergigante bluDistanza: ~1000 a.l.Massa: 50 SoliLuminosità: 60.000 SoliRaggio: 20 SoliTemperatura: 42.000°Eta’: ~ 4 milioni di anniVita: ~ 6 milioni di anni

Puppis

Le stelle grandi sono a cipolla… Ogni guscio brucia un combustibile diverso e produce energia. Fino a quando si produce il ferro. Oltre no. “Il ferro non brucia”. Il combustibile finisce. E in fretta! (milioni di anni..)

Prima Dopo

gravitagravita’’

pressionpressionee

gravitagravita’’

pressionpressionee

gravitagravita’’

Nucleo Nucleo di di

ferroferro

gravitagravita’’

Stella di Stella di neutronineutroni

Onda d’urto

>10,000 km/s

Supernova 1987a

Supernova 1987a

Cas A ~1680 11000 anni luce

Keplero 1604 20000 anni luce

Tycho 1572 7500 anni luce

Granchio

1054 d.C. astronomi cinesi

~6500 anni luce

Siamo vecchi…

L’idrogeno del nostro corpo ha 13.7 miliardi di anni

Tutti gli altri elementi sono stati fatti in una stella di grande massa, esplosa piu’ di 5 miliardi di anni fa.

Siamo polvere di stelle nel senso letterale del termine.

4 Agosto 1967

Jocelyn Bell Jocelyn Bell (allora (allora

24enne), 24enne), dottoranda di dottoranda di

Antony Hewish Antony Hewish a Cambridgea Cambridge

bip

ROMAROMA10 km10 km

Un cucchiaino: un Un cucchiaino: un miliardo di tonnellatemiliardo di tonnellate

Campo magnetico alla Campo magnetico alla superficie: 10superficie: 1012 12

(=mille miliardi)(=mille miliardi) di di GaussGauss

Terra: ~ 1 GaussTerra: ~ 1 Gauss

Magnetino da frigo: Magnetino da frigo: ~100 Gauss~100 Gauss

10 10

kmkm

Non brucia. Come fa ad essere stabile?Rifiuto degli neutronineutroni a stare vicini (meccanica quantistica)

Pulsar Granchio

gravitagravita’’

Nucleo di ferro

Se la stella non e’ troppo pesante i neutroni riescono a sostenere la gravita’

gravitagravita’’

Nucleo di ferro

Buco neroBuco nero

Se la stella e’ piu’ pesante la gravita’ vince tutte le resistenze

ROMAROMA10 km10 km3 3

kmkm

La materia continua a cadere sul buco nero neonato

Una piccola parte della materia, invece, viene espulsa con grande energia.

Si formano 2 getti in direzioni opposte, che “bucano” la stella ancora prima che scoppi.

E’ il motore piu’ efficiente che conosciamo.

Quando esce dalla stella, il getto ha una velocita’ > 99.9995% della velocita’ della luce

Gamma Ray Bursts, le esplosioni piu’ potenti dopo il Big Bang

Miliardi di anni luce…

La loro energia e’:

Come 100 Supernovae

Come il Sole per 3000 miliardi di anni

Come tutta la nostra Galassia per 100 anni

Record: GRB 090423. L’Universo aveva “appena” 630 milioni di anni

e tutto in pochi secondi…

Fanno male?

strato dell’ozono

Se scoppia una supernova o un gamma ray burst a meno di 10.000 anni luce da noi….

fitoplancton

Eta Carinae: 7000 anni luce dalla Terra

Probabilmente non ci sparera’ addosso…

Le sorgenti piu’ potenti si vedono anche se sono lontane.

La loro luce ci arriva da un’epoca lontana, quando l’Universo era piu’ giovane.

Possiamo usarle per misurare l’Universo?

Si’.

Dal Big Bang l’Universo si sta espandendo

Ma la gravita’ tende a frenare

Piu’ massa c’e’, piu’ la gravita’ e’ grande

L’Universo si espandera’ per sempre?

Grande massa: gravita’ vince sull’espansione, che alla fine si ferma e l’Universo si ricontrae: Chiuso

Piccola massa: l’espansione vince sulla gravita’ e l’Universo si espande per sempre: Aperto

Fino al 1998 si pensava che queste fossero le uniche 2 possibilita’

“Aperto” o “Chiuso”?

Come lo scopriamo?Come lo scopriamo?

L=100 WL=100 W Brillante!Debole!

vicino

lontano

Primo passo: candele Primo passo: candele standardstandard

Misuriamo la luce ricevuta da una Misuriamo la luce ricevuta da una candela standard. Cosi’ troviamo candela standard. Cosi’ troviamo la distanzala distanza

Misuriamo quando la luce e’ Misuriamo quando la luce e’ partita (in realta’ misuriamo lo partita (in realta’ misuriamo lo spostamento verso il rosso della spostamento verso il rosso della sua luce, il redshift)sua luce, il redshift)

Secondo Secondo passo:passo:

Come lo scopriamo?Come lo scopriamo?

Esempio:Esempio:Supernova, 5 milardi di anni faSupernova, 5 milardi di anni fa

Debolegrande grande espansione, espansione, poca massapoca massa

Brillantepiccola piccola

espansione, espansione, tanta massatanta massa

Molto debole

““troppa” troppa” espansione ? Che espansione ? Che

diavolo succede???diavolo succede???

Tempo dal Big Bang

Se una macchina continua a frenare, fara’ meno strada la distanza tra noi e la supernova sara’ minore

Brillante, poca distanza

piccola espansione, tanta massa

Tempo dal Big Bang

Se una macchina accelera, fara’ piu strada la distanza tra noi e la supernova sara’ maggiore

Molto debole, grande distanza

“troppa” espansione ? Che

diavolo succede???

L’ Univers

o sta

L’ Univers

o sta

accele

rando!!!

accele

rando!!!

Dark Energy…Dark Energy… L’ Universo sta accelerandoL’ Universo sta accelerando Perche’? Ci deve essere Perche’? Ci deve essere

una nuova forma di energia una nuova forma di energia (non massa!), (non massa!), la Dark la Dark Energy…Energy…

Veramente bizzarra: mentre Veramente bizzarra: mentre l’universo si sta espandendo, l’universo si sta espandendo, questa energia questa energia mantiene la sua mantiene la sua densita’ costante (oppure densita’ costante (oppure addirittura aumenta)addirittura aumenta): il totale : il totale quindi cresce come il volume. quindi cresce come il volume. Piccolo esperimento...Piccolo esperimento...

Quanta ce n’e’ adesso???Quanta ce n’e’ adesso???

E il futuro?E il futuro?

??

Grazie dell’attenzione e Grazie dell’attenzione e arrivederci…arrivederci…

Tempo dal Big Bang

Vel.

di

esp

an

sio

ne

Se una macchina continua a frenare, fara’ meno strada la distanza tra noi e la supernova sara’ minore

Brillante, poca distanza

piccola espansione, tanta massa

““Open” or “Close”?Open” or “Close”?

Large density: gravity wins over expansion, that eventually stops and the Universe recontracts: Close

Small density: expansion wins against gravity, and the Universe expands forever: OpenBig issue up to 1998Big issue up to 1998

Long GRBsLong GRBs

jet= 0.1rad; Ljet = 1050-1051 erg/s

magnetar Collapsar

(BH+disk) B~1015 G

Short GRBsShort GRBs

Merging of NS+NS or

NS+BH

The Univers

e is

The Univers

e is

accele

ratin

g!!!

accele

ratin

g!!!

dis

tan

ce

dis

tan

ce

Saul PerlmutterSaul Perlmutter

Distances are large… too Distances are large… too largelarge

RedshiftRedshift

The wavelength The wavelength of of the photon is the photon is stretched as the stretched as the Universe expands: Universe expands: REDSHIFT zREDSHIFT z

This is This is notnot a Doppler shift ! a Doppler shift !

z

1+z = Rnow/Rthen

L’universo bambino: appena 300.000 anni di eta’…

piccole differenze di temperatura (una parte su un milione). Piccole, ma importanti…

Semi delle future galassie

Supernova 1987a

150.000 anni luce