Istituto Nazionale di Astrofisica
Osservatorio astronomico di Brera
Universo in fiore
Le piu’ violente esplosioni
dell’Universo
Gabriele Ghisellini
[email protected]
INAF-Osservatorio Astronomico di Brera
data
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.
L’universo bambino: appena 300.000 anni di eta’…
Semi delle
future galassie
piccole differenze di temperatura (una parte su un milione).
Piccole, ma importanti…
dopo qualche miliardo di anni… i semi crescono
100 miliardi di galassie e proto-galassie,
disposte in filamenti e “noduli”
e adesso…
Ellittica
Spirale
Irregolare
Peculiare
La via Lattea
Noi siamo qui
~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 bianca
Nana Bianca
Raggio: 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
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
carbonio
65%
18%
Noi siamo fatti di…
1
2
3
4
5
6
7
ossigeno
carbonio
idrogeno
65%
18%
10%
Noi siamo fatti di…
1
2
3
4
5
6
7
ossigeno
carbonio
idrogeno
azoto
65%
18%
10%
3%
Noi siamo fatti di…
1
2
3
4
5
6
7
ossigeno
carbonio
idrogeno
azoto
calcio
65%
18%
10%
3%
1.5%
Noi siamo fatti di…
1
2
3
4
5
6
7
ossigeno
carbonio
idrogeno
azoto
calcio
fosforo
65%
18%
10%
3%
1.5%
1.2%
Noi siamo fatti di…
1
2
3
4
5
6
7
ossigeno
carbonio
idrogeno
azoto
calcio
fosforo
65%
18%
10%
3%
1.5%
1.2%
potassio, zolfo
cloro, sodio,
magnesio, ferro,
cobalto, rame,
zinco, iodio,
selenio, fluoro
~1%
99%
Noi siamo fatti di…
1
2
3
4
5
6
7
ossigeno
carbonio
idrogeno
azoto
calcio
fosforo
potassio, zolfo
cloro, sodio,
magnesio, ferro,
cobalto, rame,
zinco, iodio,
selenio, fluoro
65%
18%
10% 13.7 miliardi di anni
3%
1.5%
1.2%
99%
~1%
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
z Puppis
Tipo: supergigante blu
Distanza: ~1000 a.l.
Massa: 50 Soli
Luminosità: 60.000 Soli
Raggio: 20 Soli
Temperatura: 42.000°
Eta’: ~ 4 milioni di anni
Vita: ~ 6 milioni di anni
Prima
Dopo
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..)
gravita’
pressione
gravita’
pressione
gravita’
Nucleo
di ferro
gravita’
Stella di neutroni
Onda d’urto
>10,000 km/s
Supernova 1987a
Supernova 1987a
Supernova 1987a
150.000 anni luce
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
(allora 24enne),
dottoranda di
Antony Hewish a
Cambridge
bip
10 kmROMA
Un cucchiaino: un miliardo
di tonnellate
Campo magnetico alla
superficie: 1012 (=mille
miliardi) di Gauss
Terra: ~ 1 Gauss
Magnetino da frigo: ~100
Gauss
Non brucia. Come fa ad essere stabile?
Rifiuto degli neutroni a stare vicini
(meccanica quantistica)
Pulsar Granchio
Se la stella non e’ troppo pesante i neutroni riescono a
sostenere la gravita’
gravita’
Nucleo di
ferro
Se la stella e’ piu’ pesante la gravita’ vince tutte le resistenze
gravita’
Buco nero
Nucleo di
ferro
10 kmROMA
3 km
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…
Record: GRB 090423.
L’Universo aveva “appena”
630 milioni di anni
La loro energia e’:
Come 100 Supernovae
Come il Sole per 3000 miliardi di anni
Come tutta la nostra Galassia per 100 anni
e tutto in pochi secondi…
Fanno male?
Se scoppia una supernova o un gamma ray
burst a meno di 10.000 anni luce da noi….
strato dell’ozono
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’.
L’Universo si espandera’ per
sempre?
Dal Big Bang l’Universo si sta espandendo
Ma la gravita’ tende a frenare
Piu’ massa c’e’, piu’ la gravita’ e’ grande
“Aperto” o “Chiuso”?
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’
Come lo scopriamo?
Primo passo: candele standard
L=100 W
Brillante!
Debole!
vicino
lontano
Come lo scopriamo?
Secondo passo:
Misuriamo la luce ricevuta da una
candela standard. Cosi’ troviamo la
distanza
 Misuriamo quando la luce e’ partita (in
realta’ misuriamo lo spostamento verso
il rosso della sua luce, il redshift)

Esempio:
Supernova, 5 milardi di anni fa
piccola espansione,
tanta massa
grande espansione,
poca massa
“troppa” espansione ?
Che diavolo succede???
Brillante
Debole
Molto debole
piccola espansione,
tanta massa
Brillante, poca distanza
Se una macchina continua a frenare,
fara’ meno strada  la distanza tra noi
e la supernova sara’ minore
Tempo dal Big Bang
“troppa” espansione ?
Che diavolo succede???
Molto debole, grande
distanza
Se una macchina accelera, fara’ piu
strada  la distanza tra noi e la
supernova sara’ maggiore
Tempo dal Big Bang
Dark Energy…
 L’ Universo sta accelerando
 Perche’? Ci deve essere una
nuova forma di energia (non
massa!), la Dark Energy…
 Veramente bizzarra: mentre
l’universo si sta espandendo,
questa energia mantiene la sua
densita’ costante (oppure
addirittura aumenta): il totale
quindi cresce come il volume.
Piccolo esperimento...
 Quanta ce n’e’ adesso???
E il futuro?
?
Grazie dell’attenzione e
arrivederci…
Vel. di espansione
piccola espansione,
tanta massa
Brillante, poca distanza
Se una macchina continua a
frenare, fara’ meno strada
 la distanza tra noi e la
supernova sara’ minore
Tempo dal Big Bang
“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: Open
Big issue up to 1998
qjet = 0.1 rad; Ljet = 1050-1051 erg/s
Long GRBs
magnetar
B~1015 G
Short GRBs
Collapsar
(BH+disk)
Merging of
NS+NS or
NS+BH
distance
Distances are large… too large
Saul Perlmutter
Redshift
The wavelength l of
the photon is stretched
as the Universe
expands: REDSHIFT z
z = Dl/l
1+z = Rnow/Rthen
This is not a Doppler shift !