1

Dallo spazio profondo alla

Terra: risultati e sorprese del

satellite di astrofisica gamma

AGILE

M.TavaniXCVII Congresso Nazionale

Società Italiana di Fisica, L‟Aquila,

26 sett. 2011

2

extreme cosmic accelerators

3

Missioni spaziali di astrofisica dei

raggi gamma (E > 30 MeV)

SAS-2 NASA Nov. 1972 – Lug. 1973

COS–B ESA Ago. 1975 – Apr. 1982

CGRO NASA Apr. 1991 – Giu. 2000

AGILE ASI 23 Aprile 2007

Fermi NASA 11Giugno 2008

4

Astrofisica dei raggi gamma sopra i 100 MeV

Picture of the day, Feb. 28, 2011, NASA-HEASARC

AGILE Fermi

La Missione AGILE

ASI : Agenzia Spaziale Italiana

INAF : Istituto Nazionale di

Astrofisica

INFN : Istituto Nazionale di Fisica

Nucleare

Istituti Scientifici coinvolti nella Missione AGILE

Resp. Scientifico: M. Tavani (INAF e Univ. Tor Vergata)

co- Resp. Scientifico : G. Barbiellini (INFN e Univ. Trieste)

• INAF-IASF Roma

• INAF-IASF Milano

• INAF-IASF Bologna

• INFN- Sez. Trieste

• INFN- Sez. Roma I

• INFN- Sez. Roma II

• Università di Trieste

• Università di Roma “Tor Vergata”

• Università “La Sapienza”

• CIFS - Consorzio Interuniversitario

per la Fisica Spaziale (Torino)

Centro Dati ASI

la sfida di AGILE

• configurazione speciale di programma

• “Piccola” Missione

• budget limitato

• configurazione di management particolare:

ASI, PMI e Istituti scientif.

• co-partecipazione realizzativa di INFN e INAF

per lo strumento

• risorse ottimizzate, rischi potenziali8

AGILE: una Missione italiana

Il Payload di AGILE: lo

strumento più

compatto

dell‟astrofisica delle

alte energie

Combina per la prima

volta un rivelatore di

raggi gamma (30 MeV- 30

GeV) con un rivelatore

di raggi X duri (18-60

keV) con un ampio

campo di vista (1-2.5 sr)

e una risoluzione

angolare ottimale

AGILE: dentro il cubo…

ANTICOINCIDENZA

RIVELATORE DI

RAGGI X DURI

(SUPER-AGILE)

RIVELATORE DI RAGGI

GAMMA

TRACCIATORE AL

SILICIO

(MINI) CALORIMETRO

AGILE: dentro il cubo…

RIVELATORE DI RAGGI

GAMMA

TRACCIATORE AL

SILICIO

Convertitore

al Tungsteno

gamma-ray detected by the AGILE Tracker

• AGILE combina rivelatori co-allineati di

raggi gamma (50 MeV – 5 GeV) e raggi-X

duri (20-60 keV)

• AGILE è ottimizzato vicino ai 100 MeV

– ottima risoluz. angolare PSF (~3º at 100 MeV)

– esposizione tipica giornaliera di

EXP ~ 107 cm2 sec

uno strumento altamente innovativo

Il Satellite AGILE (IABG, Monaco

16 Giugno 2006)

peso del satellite:

350 kg

Om agnim ile purohitan

yajnasya devam rtvijam

hotaram ratnadhatamam

Rig Veda, I, 1

base di lancio, Sriharikota (India)

23 Aprile 2007

I parametri orbitali di AGILE

Asse semi-maggiore: 6922.5 km ( 0.1 km)

Requisito: 6928.0 ± 10 km

Angolo di inclinazione: 2.48 ( 0.04 )

Requisito: < 3

Eccentricità: 0.002 ( 0.0015)

Requisito: < 0.1

AGILE: quinto anno in orbita…

• ~ 22,830 orbite, 26 settembre 2011.

• Performance scientifica molto

competitiva

• Dati di AGILE aperti alla comuità

tramite ASI (Centro Dati di Frascati)

Le due vite di AGILE

AGILE in

pointing

AGILE in

spinning

Periodo di tempo Lug. 07 – Ott.09 Nov. 2009 -

puntamento fisso variabile

(spinning, 1º/sec)

Copertura del cielo 1/5 ~ 70%

„source livetime

fraction‟

~ 0.5 ~ 0.2

Esposizione di 1

giorno(fuori asse di 30 gradi,

100 MeV)

~ 2 107

(cm2 sec)

(0.5-1) 107

(cm2 sec)

22

23

Il cielo gamma di AGILE (E > 100 MeV)Esposizione di 2 anni: Luglio 2007 – Giugno 2009

• Crab Nebula flares

• Cygnus X-3 and microquasars

• Resolution of the cosmic-ray origin:

SNRs W44, IC443, W28

• Super-bright blazar 3C 454.3

• Discovery of emission up to 100 MeV

from Terrestrial Flashes

25

AGILE top 10 discoveries:Astrophysics, fundamental physics, climate studies

• Nature of the Vela pulsar nebula

• First (gamma-ray) imaging from space of

TGFs

• Soft PSRs

• The brightest BL Lac, 5S 0726+724

• Flaring of the Mrk 421

26

AGILE top 10 discoveries:Astrophysics, fundamental physics, climate studies

• l‟incredibile Nebulosa del Granchio

• sorprese da stelle relativistiche e

Buchi Neri galattici e in altre galassie

• origine dei Raggi Cosmici

• super-Lampi Gamma Terrestri

27

Crab Nebula

28

29

30

Crab Nebula spectrum (Hester 2008)

L synchrotron ~ 1.3 ∙1038 erg/s 26% of the LPSR spindown

EPSR ~ 2∙ 1049 erg

LX ~ 1037 erg/s at 2 kpc

FX ~ 2∙ 10-8 erg cm-2 s-1 = 1 Crab

31

La Nebulosa del Granchio:

l‟acceleratore par excellence

Marco Tavani, "AGILE Discovery

of Gamma-Ray flares from the

Crab Nebula"

PULSAR MOLTO ENERGETICA (ruota 30 volte al

secondo)

FORTI SHOCK NELLA NEBULOSA DAL VENTO DI PARTICELLE DELLA PULSAR

31

32

“CRAB” PULSAR: STELLA DI NEUTRONI RUOTANTE CON UN FORTE CAMPO MAGNETICO:

P = 33 msec

L(spindown) = 5 1038 erg/s

33

emissione della pulsar Crab (Pellizzoni et al. 2009)

radio (1.4 GHz)

raggi X-rays (18-60 keV)

Super-AGILE

raggi gamma(> 100 MeV)

AGILE-GRID

raggi gamma(> 500 MeV)

AGILE-GRID

3434

L‟acceleratore della Nebulosa del

Granchio

35

non-symmetric PSR wind

(relativistic e+/e-, ions (?), γo ~ 102-104)

• dN/dt = Lsd / (n γ m c2) ~ 1040.5 s-1 .

• much larger than GJ ! pair multipl. factor κ ~104

36

Kennel-Coroniti picture of the Crab Nebula

37

Modelli teorici di accelerazione

• accelerazione diffusiva di shock (DSA)

(“Fermi al primo ordine”)

• accelerazione di “shock-drift”

resultati dipendono crucialmente dal tipo di

particelle (e+/e-, ioni), campi magnetici

locali, proprietà del vento della PSR, ecc.

38

un modello standard MHD (deJager etal. 1996)

• accelerazione di particelle in shock o instabilità

MHD/plasma, assumendo E/B = 1

• tacc-1 ~ α′ ωB/ (ωB = eB/mc; α′ < 1)

• -1d /dt =(eB/ mc)(E/B)α′- (4/3)ζT(B2/8π) /mc

• d /dt=0 implica un‟energia massima

max ~109(E/B)1/2(α′/sin2θ B-3)1/2

39

• L’energia massima dei fotoni emessi è

indipendente dal campo magnetico B:

(”taglio di syncrotrone”) for E/B = 1:

• Emax= 3/2 ħ ωB m2 ~ (200 MeV) (δ α′/sinθ)

paradigma “standard” per la Crab

(de Jager, Harding et al. 1996)

40

spettro della Nebulosa del Granchio (Crab Nebula)

“taglio” di

sincrotrone

41

SCOPERTA DA PARTE DI AGILE

DELLA VARIABILITA‟ DELLA

NEBULOSA DEL GRANCHIO

41

Tavani et al., Science, 331, 736 (2011)

Abdo et al., Science, 331, 739 (2011)

42

43

AGILE: l‟analisi a terra la più rapida

Satellite

Malindi Ground Station

Fucino TZP MOC

ASDC

AGILE Team

Guest Observers

Public data access

Automatic

data processing

~1 hr

~0.5 hr

~0.5-1 hr

~(2-2.5) hr

Data processing

Unit in INAF-Bologna

44

PRIMO ANNUNCIO PUBBLICO: 22 Sept. 2010: AGILE emana l’Astronomer’s Telegram n. 2855 che annuncia una forte emissione gamma transiente dalla Crab.

Science Express (6 January 2011)

44

45

post-flare excitement

Bernardini E., 2011

46

Flare date Duration Peak γ-ray flux γ-ray Etotal γ-ray eff. Instrument

Oct. 2007 ~ 15 days ~ 9∙10-6 ph cm-2 s-1 ~ 1042 erg ~ 8∙10-4 AGILE

Feb. 2009 ~ 15 days ~ 7∙10-6 ph cm-2 s-1 ~ 1042 erg ~ 6∙10-4 Fermi

Sept. 2010 ~ 4 days ~ 7∙10-6 ph cm-2 s-1 ~ 1041 erg ~ 5∙10-4 AGILE,

Fermi

Apr. 2011 ~ 10 days ~30∙10-6 ph cm-2s-1 ~ 1042 erg ~ 5∙10-4 AGILE,

Fermi

• I 4 episodi principali

Tasso: 1-2/anno

47

• Cosa può essere ?

– la PULSAR ? • nessuna evidenza di variazione del segnale

pulsato radio/X/gamma di 33 ms

– emissione nella NEBULA • shock o instabilità di plasma, diversi candidati

48

toroidal “wisps”

49

“jets”

50

“jets”

J ~ 60º

51

“jet” shockstoroidal shocks

PSR wind inner region,

Knot 1

il super-transiente

della Crab Nebula

(12-18 aprile 2011)

52

53

AGILE, 12 hr. resol.

Fermi-LAT, 6 hr. resol.

55

Crab Nebula super-flare spectrum (Apr. 16, 2011) Striani et al. Astro-ph/July 2011

E/B ≳ 2 !

56

a model (Vittorini V., M.T. et al., ApJ, accepted 2011)

• dN( )/d = -p1 for min < < break

with p1 = 2.1, min = 5∙105, break = 2∙109

• dN( )/d = -p2 for break < < max, with p2 = 2.7,

• total particle number Ne-/e+ = 1042.

• size, Larmor radius R ≤ 1016 cm

• local B ≈ 10-3 G (10 times larger than average)

• max≈ break ≤109 (E/B)(δ α'/sinθ)1/2 (B/10-3 G)-1/2

• δ = 2-3

57

• MHD approximation fails in the Crab Nebula, E/B > 2 needed

• magnetic field reconnection viable, but where ?

58

Evento dell‟aprile 2011

• luminosità gamma di picco

L ≈ 1.5·1036 erg cm-2 s-1

• kin. power fraction of PSR spindown Lsd,

ε ≈ 0.003 (η-1/0.1) ≈ 0.03

• tempi-scala:

– salita: ≤ 6-12 ore

– discesa: ~ 1-2 giorni

accelerazione

molto efficiente !

raffreddamento

veloce, B, Lorentz γ

59

• contraddizione con i modelli di

accelerazione basati su MHD !

– accelerazione di shock di e-/e+ da turbolenza

magnetica

– modelli con risonanza di ioni

• La Nebulosa del Granchio riesce ad

accelerare elettroni/positroni alle energie di

1000.000 di GeV ( = 1 PeV, ~ 109) !

– avviene entro un tempo scala di 6-12 ore !

60

problemi

• calcoli attuali dei processi idrodinamici di

MHD danno tempi scala troppo lenti

• modelli diffusivi di accelerazione non

applicabili: quale altro meccanismo più

efficiente ?

• una sorta di accelerazione catastrofica di

“runaway”, probabilmente mediata da campi

elettrici paralleli al campo magnetico

61

ipotesi per l‟accelerazione veloce

• Instabilità MHD “veloci”

• accelerazione da reconnessione

magnetica e in “current sheets”

• classe particolare di shock relativistici

62

Hubble (optical) Oct. 2, 2010 Chandra (X-rays) Sept. 28, 2010PUZZLING ACCELERATION:IL MISTERO DELL’ACCELERAZIONE:

• deve essere MOLTO EFFICIENTE implicando siti di produzione“vicini”

alla PSR

62

• accelerazione NON in accordo con la previsione delle teorie di accelerazione

“diffusiva” lenta, una grande SFIDA

• accelerazione fino alle energie E = 1015 eV, 1000 volte maggiori delle

energie dell’LHC al CERN

•

Microquasars

63

Galactic “Micro-Quasar” GRS 1915+105

(Mirabel & Rodriguez, Nature, 371, 46 (1994)

Buchi Neri galattici “Micro-QSOs” (con getti)

Θ (degrees) β Γ LX/LE γ/TeV

Cyg X-1 ? ? ? 0.1-1 YES

Cyg X-3 < 14 > 0.8 > 1.6 0.1-1 YES

SS 433 80 0.26 1.03 0.01 no

GRS 1915+104 70 0.92 2.5 0.1-1 no

GRO J1655-40 > 70 0.9 2.5 1 no

GRS 1758-258 ? 0.1-1 no

XTE J1550-564 60-70 > 0.8 1.5 0.1-1 no

Sco X-1 > 70 > 0.8 > 1.6 0.1-1 no

LS I 61 303 ? ? ? 10-4 yes

LS 5039 < 80 > 0.2 ? 10-4 yes

Il mistero di Cygnus X-3

getti radio relativistici da Cyg X-3 (Mioduszewski, Rupen, Hjellming, Pooley, Waltman, 2001)

Feb. 6, 1997 Feb. 8 Feb. 11

Plasma diagnostics (and acceleration) around a BH

68

Compton-thick cloud, = T n R ~ 1-10 n ~ (1015 cm-3) R-18

Scoperta di emissione transiente gamma da

Cyg X-3 (Tavani et al., Nature, 462, 620 (2009)

RATAN Obs. (S. Truskhin et al.) Apr. 13 – Apr. 27, 2008

very strong radio

flare, presumably

with jet ejection

strong gamma-ray

flare

X-ray (1-10 keV)

flare

Hard X-ray flux state

change (Super-A

monitoring)

Major gamma-ray flares in special transitional states in

preparation of radio flares ! (Tavani etal. Nature 2009)

figure adapted

from Szostek

Zdziarski &

McCollough

(2008)

sorprese da Cyg X-3

• emissione gamma/accelerazione di particelle

in modo “prevedibile”

• sempre quando la “corona” di plasma

sovrastante è al minimo

• come se il sistema non dissipasse nella

corona, ma accumulasse energia prima della

produzione di getti (anello di accumulazione ?)

• prima volta, importante sia per l‟astrofisica dei

buchi-neri e per i plasmi di laboratorio. 74

The brightest Gamma-ray blazars detected by AGILE

76

La galassia attiva 3C 454.3: il diamante pazzo

lontano da noi 7 miliardi di anni luce...

NRAO Radio Telescope - Kovalev

2009

Swift Satellite - Vercellone

2011

AGILE Satellite - Vercellone 2009

3C 454.3 superflare (16-19 Nov. 2010)

3C 454.3 super-flare in Nov.-Dec. 2010

3C 454.3 superflare (16-19 Nov. 2010)

Rivelazione della sorgente

gamma più intensa mai rivelata:

il buco nero (“Crazy Diamond”)

nella galassia attiva 3C 454.3

z=0.859,

F > 8000 10-8 ph. cm-2 s-1,

Liso= 2x1050 erg s-1,

for = 10, Ljet 1 Earth/sec)

3C 454 Dec. 2009 flare

• Energetica

– dE/dt (potenza cin. getto) = MEarth / 10 sec

– L (gamma) = L (iso) / 2 = 1.2x1047 erg/s

• Spectral components (sync, SSC, EC)

– C-1 (PL, p1 = 2.3, b = 500)

– C-2 (Maxwellian, b = 150)

82

spettro di emissione di 3C 454.3, november 2010 (Vercellone et al.)

RAGGI COSMICI

• ORIGINE ?

• ACCELERAZIONE

• PROPAGAZIONE NELLA GALASSIA

Raggi cosmici adronici (CR)

Energia del “ginocchio”,

E ~ 1015 eV

Sorgenti di raggi cosmici e

accelerazione fino a 1015 eV (PeV)

• Esplosioni e Resti di Supernovae

• Stelle di neutroni „Fast spinning‟

• Getti relativistici (microquasar, AGN)

• Oggetti esotici

Resto di Supernova, Cas A (1680)

ottico (Hubble), raggi X (Chandra), IR (Spitzer)

la domanda fondamentale:

le Supernovae producono i raggi

cosmici ???

V. Ginzburg, Syrovatskii, fine anni „50,

1964

F. Hoyle (1960)

….

L’ipotesi dei resti di Supernovae

• wCR ~ 1 eV cm-3

• dECR/dt ~ V wCR / tesc ~ 3 x 1040 erg s-1

• PSNR,cinetica = 1051 erg / 30 anni = 1042 erg s-1

• dECR/dt ~ 0.03 PSNR,cinetica

89

Acceleratore nuvola di gas

mezzo interstellare

provare l’origine dei raggi cosmici

protonici nei Resti di Supernovae…

• Elettroni– Bremsstrahlung (target density)

– Synchrotron emission (magnetic field)

– Inverse Compton (CMB, interstellar photons)

• Protoni, produzione di pioni (target density)

p + p X + 0

+ (~70+70 MeV)

pp ~ 40 mbarn

~ ( pp n c)-1 ~ (6∙107 yrs) n-1

origine dei raggi cosmici nelle supernovae ?

finora solo indizi indiretti, difficile da provare in

modo diretto

• la Supernova ideale:

– energetica

– vicina alla Terra

– con un “bersaglio” vicino (nube molecolare)

• f = (Wp / tpp)/4 d2 ~ ( n Wp )/ d2

• non facili da trovare

92

Supernovae giovani (raggi-X, Chandra)

93

IC 443 W 28

W 44RX 1713.7- 3946

gamma-ray detected SNRs

94

95

AGILE

gamma radio

(Giuliani, Cardillo et al. 2011)

99

Spectral break,

E ~3 GeV

emissione di pioni,

no Bremsstrahlung

100

emissione “pionica”(Bremsstrahlung marginale)

(Giuliani, Cardillo et al. 2011)

101

Spectral break,

E ~3 GeV

verso la soluzione del problema

dell‟origine dei raggi cosmici

• circa 10 Supernovae studiate da

AGILE e Fermi

• interazione complessa

• AGILE individua la prima evidenza diretta di

emissione di protoni accelerati nel Resto di

Supernova W44

102

Lampi Terrestri

103

•I lampi normali mostrano differenze di potenziale

utili per l‟accelerazione di particelle

V ~ 1-10 MegaVolt

•Lampi Gamma Terrestri (Terrestrial Gamma-Ray

Flashes, TGF) mostrano invece

V > 100-200 MegaVolt

AGILE osservazioni della Terra:

dall‟astrofisica allo studio dei lampi

(accelerazione di particelle in atmosfera)

i Lampi Gamma si

originano a ~ 10-20 km

di altezza

Terrestrial Gamma-Ray Flashes

(RHESSI map up to 20 MeV)

Smith et al., Science, 2005

AGILE: what makes MCAL unique

for TGFs:

• Only instrument in equatorial orbit

– TGF on the equator

– low-background

• Only instrument with sub-msec trigger

capability

• Instrument with the best capability at

E > 30-40 MeV

AGILE Terrestrial Flashes lightcurvesThe bright events

visibilità di AGILE

Africa South East Asia

111

spettro dei Lampi Gamma di AGILE110 TGFs 1806 fotoni 142 E> 10 MeV 26 E > 20 MeV

Tavani et al., Phys. Rev. Letters 106, 018501 (2011)

modello RREA legge

di potenza + cutoff

esponenz.

rivelazione di emissione a energie E >40 MeV, non spiegate dai modelli attuali di accelerazione RREA.

componente

aggiuntiva di alta

energia, = -2.7

• Modelli standard RREA di

accelerazione prevedono E-max di

10-20 MeV, da rivedere.

• differenze di potenziale di almeno 100-

200 MegaVolt.

• implica accelerazione non a piccoli

“passi” ma su distanze di 1-2 km.

112

• la componente di alta energia E > 20

MeV può avere effetti importanti

sull‟atmosfera e ambiente

• Qual è l‟energia massima ?

(AGILE il solo satellite attuale che può

rispondere)

• Qual è la vera distribuzione geografica

dei super-Lampi Gamma ?

113

Studio degli impatti dei super-lampi

• possibile impatto sul clima locale,

sulla chimica atmosf. e sull‟ambiente

(300/giorno).

• Indicatori di cambiamenti climatici

• produzione di neutroni, loro effetto.

• Sistema di ALLERTA proposto dal

team AGILE 114

Conclusioni

• dal cosmo alla Terra, AGILE ha mantenuto le promesse

• l‟Italia dimostra di poter competere con missioni spaziali a budget limitato ma alto contenuto tecnologico e scientifico

• una generazione di giovani ricercatori, ingegneri e addetti all‟industria che partecipano a programmi spaziali italiani