Astrofisica Spaziale:i vari “colori” dell’Universo

e come vederli

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

Gruppo di Astrofisica delle Alte EnergieINAF IASF Roma

Il cielo secondo Van Gogh

Sommario

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 nelle varie bande5. 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

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

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

La Nebulosa Granchio

Che cosa vediamo nelle varie bande?

Alle varie bande dello spettro elettromagnetico corrispondono fenomeni fisici diversi e caratteristici.

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.

Come osservare l’universo nelle varie bande?

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.1. Nel radio e nelle microonde si usano antenne e

radiotelescopi2. Nell’infrarosso, visibile e ultravioletto si usano telescopi,

rifrattori o riflettori3. 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

• 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

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

➡ Le nane bianche

➡ Le stelle di neutroni

➡ I buchi neri

➡ I Gamma Ray Burst

Lo “zoo” ad alte energie

• 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

• 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

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?