Osservazione di Gamma Ray Osservazione di Gamma Ray Bursts con Argo - YBJBursts con Argo - YBJ

Relatore

Dott.ssa Silvia Vernetto

Candidato

Ferriani Giulia

23 Luglio 2004

Gamma Ray BurstsGamma Ray Bursts (GRBs) (GRBs)

• Scoperti negli anni ’60• Osservati solo da satelliti• Energia dei fotoni dai KeV ai TeV• Sorgente sconosciuta

Compton Gamma Ray Observatory

- CGRO(1991 - 2000)

OSSE

0.05 -10 MeV

BATSE20 KeV- 10 MeV

COMPTEL

0.8 -30 MeV

EGRET20 MeV - 30 GeV

Beppo Sax(1996 – 2000)

X-ray detectors

Gamma Ray Burst monitor

40-700 KeV.

Mappa GRBs osservati da BATSEMappa GRBs osservati da BATSE

Forma e durata diverse

Nessuna correlazione tra flusso, tempo e

morfologia

Curve di luceCurve di luce

GRB galattici o extragalattici?GRB galattici o extragalattici?

BATSE ha trovato una distribuzione isotropa dei Burst e una carenza di oggetti deboli

Il flusso medio registrato è di circa 10-6 erg/cm2

Burst galattici Alone galattico di almeno 100 Kpc

Energia emessa di circa 1042 erg

Burst extragalattici Lo spostamento verso il rosso causa la

carenza di oggetti deboli

Energia emessa di circa 1051-54 erg

(più di una supernova)

GRB 970228Emissione di raggi X vista da Beppo Sax in coincidenza col GRB ma più debole e più lunga nel tempo. Lo spettro X decresce con una legge di potenza.

L’afterglowL’afterglow

GRBEmissione raggi X

GRB 970228

28 Feb 3 Mar

Immagini dell’emissione in raggi X riprese da Beppo Sax

Prima controparte ottica del GRB ripresa

dall’ Hubble Space Telescope

Di tutti i Burst osservati il quasi tutti hanno l’afterglow nella banda X, il 50% anche nella banda ottica, nell’infrarosso e radio

Il primo redshift zIl primo redshift z

Origine cosmologica!

Lo studio degli spettri delle controparti ottiche ha permesso di determinare i redshift z e quindi le distanze dei bursts: per il GRB

970508 si è calcolato z ≥ 0.84 corrispondente a una distanza di circa 5*109 anni luce

I GRBs più lontani osservati hanno z = 3.9 e z = 4.5 e sono avvenuti quando l’universo era “piccolo piccolo”!

Requisiti del modello:

– Origine extragalattica– Altissima energia prodotta ≈ 1051-54 erg– Spettro di emissione ampio:

– Lampo γ di breve durata– Piccole dimensioni della sorgente

OrigineOrigine dei GRBs dei GRBs

GRB: gamma, X

Afterglow: X, ottico, radio

ModelloModello FIREBALL FIREBALL

Fusione di un sistema binario compatto

Collasso gravitazionale

(Ipernovae)

Ci sono forti indicazioni di un collegamento tra Supernovae e GRBs (curve di luce, righe del ferro)

Esplosione a velocità relativistica accelera gli elettroni

La decelerazione produce l’Afterglow

Gli elettroni di sincrotrone producono il GRB

(Stelle di neutroni o buchi neri)

Emissione isotropa o in jets?

Assorbimento extragalatticoAssorbimento extragalattico

L’interazione dei fotoni gamma con

fotoni di bassa energia (infrarossi, ottici) dello spazio

extragalattico causa

l’assorbimento dei γ di alta energia

e-

e+

γ + γ e+ e-

Luce stellare Polveri

100 TeV1000 TeV10 TeV1 TeV

100 GeV

Energia raggi γ

Lunghezza d’onda dei fotoni

Radiazione cosmica di

fondo

Background

AssorbimentoAssorbimento d di raggi gammai raggi gamma

zEedE

dN

dE

dN ,0 L’assorbimento di

radiazione aumenta con l’energia E e con

la distanza z

Stecker, 1998

Argo YBJ detectorArgo YBJ detector

Apparato a sciame a copertura totale

grande altitudine (4300m)

Detector installati (Dic 2002) = 1650 m2

RivelatoreRivelatore: tappeto di: tappeto diResistive Plate Counters Resistive Plate Counters (RPCs) coperto da 0,5 cm Pb(RPCs) coperto da 0,5 cm Pb

Full coverage carpetFull coverage carpet78 x 75 m78 x 75 m22 circondato circondatoda un anello da un anello 111 x 99 m111 x 99 m22

Area totale: 6700 mArea totale: 6700 m22

Configurazione del rivelatoreConfigurazione del rivelatore

1.3 x 2.8 m2

7.6 x 5.7 m2

18480 PADs

56 x 62 cm2

12 10

RPCs

Vista dell’interno del laboratorio: camere RPCVista dell’interno del laboratorio: camere RPC

ARGO consente una misura di alta risoluzione dello ARGO consente una misura di alta risoluzione dello spazio tempo del fronte dello sciamespazio tempo del fronte dello sciame

Primi sciami rivelati da ArgoPrimi sciami rivelati da Argo

Sciami a bassa molteplicità

Sciami piccoli

Npad ≥ 20

Permette di ricostruire la direzione di arrivo con un errore di circa 2.7°

E > 102 GeV

Tecniche di rivelazione di GRBs con ArgoTecniche di rivelazione di GRBs con Argo

Non ricostruisce la direzione

E > 10 GeV

Particella singola

GRB

fondo

Raccolta e analisi datiRaccolta e analisi dati

Si selezionano dai cataloghi i GRBs con redshift z misurato

Per ogni GRB:

Si è utilizzato il flusso rivelato dai satelliti tra i KeV e i MeV e si è estrapolato alle alte energie utilizzando uno spettro di potenza E-2

Si modifica lo spettro tenendo conto dell’assorbimento dei fotoni nello spazio extragalattico

Si ipotizza un angolo zenitale = 20°

Si valuta l’eventuale segnale del GRB rivelato da Argo

GRB Ascensione Retta

Declinazione Redshift z fluence (Mev cm-2

sec)

dt (sec)

coeff k (gamma cm-2 sec-1 GeV-1)

031203 +08:02:30,36 -39:51:00,10 0,105 0,002 30 0,00093

030429 +12:13:07,50 -20:54:49,70 2,65 0,131 5 0,09468

030329 +10:44:49,96 +21:31:17,44 0,168 2,857 35 0,49184

030328 +12:10:48,40 -09:20:51,30 1,52 0,188 100 0,07239

030323 +11:06:09,40 -21:46:13,20 3,372 0,026 26 0,01021

030226 +11:33:04,93 +25:53:55,30 1,98 0,036 100 0,01375

021211 +08:08:59,88 +06:43:37,88 1,01 0,110 5,7 0,06813

021004 +00:26:54,68 +18:55:41,60 2,3 0,011 100 0,00628

020813 +19:46:41,87 -19:36:04,81 1,25 0,190 125 0,13706

020405 +13:58:03,12 -31:22:21,90 0,69 0,469 40 0,33813

020124 +09:32:50,83 -11:31:11,00 3,198 0,027 70 0,01133

011211 +11:15:17,98 -21:56:56,20 2,14 0,012 270 0,00404

010921 +22:55:59,90 +40:55:53,00 0,45 0,010 12 0,00452

000926 +17:04:09,00 +51:47:10,00 2,066 0,550 25 0,39674

000911 +02:18:34,36 +07:44:27,70 1,058 0,006 500 0,00451

000418 +1225:19,30 +20:06:11,60 1,118 0,271 30 0,19536

000301c +23:39:27,12 +75:47:12,86 2,03 0,208 6 0,15028

000131 +06:13:31,00 -51:56:40,00 4,5 0,125 50 0,09017

991216 +05:09:31,30 +11:17:07,26 1,02 4,470 21 4,20063

991208 +16:33:53,52 +46:27:21,00 0,706 1,042 60 0,75140

990510 +13:38:07,64 -80:29:48,80 1,619 0,148 80 0,05186

990506 +11:54:52,92 -26:43:39,90 1,3 0,929 150 0,57732

990123 +15:25:30,34 +44:45:59,10 1,6 2,188 100 0,76427

980703 +23:59:06,67 +08:35:07,09 0,966 0,015 90 0,00510

980613 +10:17:57,82 +71:27:25,50 1,096 0,053 20 0,03320

980425 +01:36:23,92 +15:45:12,87 0,01 0,063 40 0,03488

980329 +07:02:38,02 +38:50:44,02 3,9 0,568 55 0,31711

980326 +08:36:34,28 -18:51:23,90 1 0,125 5 0,06976

971214 +11:56:26,35 +65:12:00,70 3,42 0,297 40 0,16569

970508 +06:53:49,00 +79:16:19,50 0,835 0,055 35 0,01415

970228 +05:01:41,68 +11:47:05,10 0,695 0,347 3,6 0,09413

31 31 GRBs analizzatiGRBs analizzati

Distribuzione degli z

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4

Redshift z

Num

ero

di

GRBs

Distribuzione durate temporali

0

1

2

3

4

5

6

7

1 10 100

Durate dei Bursts (sec)

Num

ero

di G

RBs

Molti GRB hanno z 1

La maggior parte dei GRB ha durata

tra 10 e 100 sec

Modello di spettro differenziale

2

1

2

1

21,E

E

E

E

EdEEKEdEdE

dNEEF

12

21

lnln

,

EE

EEFK

Fluence F (E1,E2) misurata da satellite

EKdE

dN

Valutazione dello spettro differenzialeValutazione dello spettro differenziale

con α =2

Valutazione del coeff. dello spettro

Spettro con assorbimento

Distribuzione coeff K

0

2

4

6

8

10

-3 -2 -1 0 1

Log10[valori di K(MeV/cm2/s)]

Freq

uenz

e

di fondone segnalefluttuazio

segnaleGRB

Si utilizza un programma che:

Simula il flusso di raggi gamma del GRB e la risposta del rivelatore

Valuta il numero di eventi attesi dal GRB e dal fondo

Confronta il segnale col fondo e valuta la significatività statistica del segnale:

sigma LM Vs. redshift z

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5Redshift z

sig

ma

LM

sigma SP Vs. redshift z

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5Redshift z

sig

ma

SP

Distribuzione delle sigma rispetto ai redshift zDistribuzione delle sigma rispetto ai redshift z

Con la tecnica della particella singola si ha

maggiore sensibilità per gli eventi ad alto redshift

Argo può vedere 4 GRB sui 31 analizzati

circa il 13%

GRB 030329

Ad Ottobre 2004 sarà lanciato il Satellite SWIFT per osservare GRB

Si prevedono 320 GRB osservati in un anno

Argo ha un campo di vista di circa 1.5 sr, (circa il 12% della sfera celeste).

Se rivela una frazione del 10% dei GRB visti da Swift

Prospettive per Argo

Argo osserverà alcuni GRB l’anno

Grazie

per l’attenzione

e

Buone Vacanze!