Stefano Covino
Osservatorio Astronomico di Brera
Lampi di Luce Gamma
(Gamma-Ray Burst)
La nascita dei buchi neri
Civico Planetario U. Hoepli
Giovedì 3 Aprile 2003
Avete mai visto un lampo di luce
gamma?
Supponiamo di avere una telecamera,
sensibile ai raggi gamma, che ci
trasmetta in tempo reale quello che
vede un satellite in orbita intorno alla
Terra…
Per un po’ di tempo vedremo solo il
fondo del cielo, senza oggetti… ma
ad un certo punto...
Cortesia di D. Gotz e S. Mereghetti, IASF Milano
GRB 021125
Ma vediamo prima di capire cosa è un buco
Sir William Herschel
nero...
(1738-1822)
L'idea di "buco nero" ha raggiunto il
grande pubblico solo di recente.
Tuttavia, in realtà, risale ad almeno 2
secoli fa:
Nel 1770 John Michell,
Le idee di Michell furono poi
Thorhill
e
astronomo,
William Herschel, nel 1791, per
sull'azione esercitata dalla
natura delle nebulose!
luce;
Rettore di
riprese da
speculava
spiegare la
gravità sulla
Nel 1796, Pierre Simon de Laplace
ipotizzò che potevano esistere stelle tanto
massiccie da trattenere la luce e quindi
apparire ad un osservatore assolutamente
nere.
L'idea di buco nero torna infine alla
ribalta agli inizi del secolo, con la
formulazione
della
teoria
della
Relatività Generale di Albert Einstein.
Albert Einstein
(1879-1955)
Un punto importante: la velocità di fuga!
Supponiamo di lanciare in aria qualunque
oggetto, è immediato, e quasi banale,
osservare che l'oggetto salirà tanto più in
alto quanto maggiore è la velocità impressa
all'oggetto
alla partenza.
Teniamo
presente
questo punto:
Se
la della
velocità massa
iniziale (efosseal
•all'aumentare
sufficientemente
alta,
oltre
la
diminuire velocità
del di raggio)
del
corpo
fuga, il grave potrebbe
considerato
di fuga!
nonaumenta
ricadere lapiùvelocità
sulla Terra
e
sfuggire
alla
gravitazionale:
sua
attrazione
La velocità di fuga sulla Terra è
circa 11 km/s, sulla Luna 2.4 km/s
e sul Sole 620 km/s.
Aggiungiamo un altro ingrediente: la Relatività Generale
La teoria della relatività
mostra che effettivamente
la gravità influenza la
traettoria dei raggi di luce:
•La
prima
verifica
sperimentale fu ottenuta da
A.
Eddington,
durante
l'eclisse di Sole del 1919.
Queste osservazioni vengono interpretate
Ci nel
sonocontesto
anche altri
effetti
della generale come
della
relatività
gravità
sulla
il manifestarsi
di radiazione
distorsioni dello spazioelettromagnetica:
tempo.
Un
raggio
gamma
perfettamente monocromatico
spedito dalla base di una
torre raggiunge la cima con
una frequenza un po' più
bassa che alla partenza.
Riassumendo:
•La gravità influenza effettivamente la
propagazione della luce;
•La velocità di fuga aumenta all'aumentare
della densità dell'oggetto considerato;
Aggiungiamo un ultimo punto: la velocità della
luce è la massima velocità possibile
nell’universo!
Otteniamo allora gli ingredienti
teorici per la comprensione di un
buco nero...
Abbiamo un oggetto la cui forza di
gravità è così intensa da rendere
impossibile persino la fuoriuscita della
luce e quindi di qualunque altro segnale
o corpo materiale...
Abbiamo un BUCO NERO!
Un oggetto di questo genere
non può che apparire nero
ad un ipotetico osservatore!
Esistono simili oggetti in natura?
In effetti diversi fenomeni astronomici possono
portare alla formazione di un buco nero:
I Buchi neri vengono invocati per spiegare una
grande quantità di fenomenologie:
•Buchi neri come prodotto degli ultimi stadi
•dischidell'evoluzione
di accrescimento,
stellare;
•getti,
•nuclei•Buchi
galatticineri
attivi,
primordiali, prodottosi alla
nascita
stesso;
•dinamica
di dell'universo
nuclei galattici
e di ammassi
stellari,
•lampi•Buchi
di luce
, di galassie attive.
nerigamma
al centro
•ecc.
Ma quale può essere il legame fra i buchi neri ed i
lampi di luce gamma?
La chiave di tutto questo sta nell’evoluzione
stellare…
•Una volta che le stelle si sono formate e
comincia ad instaurarsi una stabile fusione
nucleare nelle zone centrali si dice che la
stella è sulla sequenza principale.
Con l'andare del tempo l'idrogeno al centro
comincierà a scarseggiare e la fusione si
sposterà negli strati esterni.
•Questo provoca una grande espansione degli
strati esterni della stella e si dice allora che si
è formata una gigante rossa.
•All'esaurirsi del combustibile nucleare anche
nei gusci esterni, la stella attraversa una fase di
instabilità più o meno pronunciata.
•La temperatura interna raggiunge i 100
milioni di gradi e la fusione dell'elio e di altri
elementi diventa possibile.
Il parametro più importante che determina
l'evoluzione di una stella è la sua massa.
Le stelle con una
massa fino a circa 8
volte quella del Sole
termineranno la loro
esistenza come nane
bianche.
Le stelle più massiccie, al contrario, hanno
varie strade a loro disposizione, e possono
anche diventare supernovae.
SN 1994D
in NGC4526
Altri fattori che possono influenzare
l'evoluzione delle stelle sono la loro
composizione chimica e, in molti casi, l'essere
o meno parte di sistemi binari.
Le stelle di massa più grande durante la loro
evoluzione arrivano a produrre energia con un
tasso estremamente alto.
Tale produzione di energia può raggiungere
dei livelli parossistici, sviluppando una
potentissima esplosione che distrugge quasi
completamente la stella.
L'esplosione di una supernova può lasciare come
residui oggetti estremamente peculiari:
•Il nucleo interno della supernova può infatti
sopravvivere all'esplosione e ciò che rimane è un
oggetto con una massa tipica di circa 1.4 volte
quella del Sole e con una densità estremamente
alta, paragonabile a quella dei nuclei atomici: una
stella di neutroni.
•In determinati casi una stella di neutroni risulta
visibili sotto forma di una pulsar, cioè una stella
di neutroni rotante ad altissima velocità e che
emette lampi di luce ad ogni rotazione.
Se,
infine,
la
massa
del
residuo
dell'esplosione è eccessiva può capitare
che la forza di gravità alla superficie di
questi oggetti raggiunga valori altissimi,
tanto elevati da rendere impossibile
persino alla luce lo sfuggire dal loro campo
gravitazionale:
•abbiamo un buco nero!
Il legame fra buchi neri e lampi di luce gamma
proviene dal fatto che normalmente i buchi
neri si formano dotati di un’elevata velocità di
rotazione.
Ora proviamo a seguire il ragionamento:
In taluni casi, se il buco nero è
anche caratterizzato da un intenso
campo magnetico, può accadere che
il campo magnetico si ancori alla
materia circostante.
Abbiamo,
quindi, una “sfera
di
fuoco”,
e di accade
conseguenza
unscala
lampo
Se questo
in un tempo
di
pochi
secondi la rotazione del buco
di luce
gamma!
nero viene frenata e, simultaneaente,
l’energia di rotazione dello stesso viene
convertita in fotoni.
Ma come si possono osservare i lampi di luce
gamma?
L’evento iniziale richiede strumenti
sensibili a radiazioni di alta energia…
•quindi osservazioni da satellite!
Dopo il “lampo” si possono avere emissioni a
frequenze più basse, anche ottiche e radio, e
quindi osservabili con telescopi a terra.
INTEGRAL
L’astronomia milanese è anche direttamente
coinvolta in due progetti di punta ormai quasi al
punto di arrivo (o di inizio…):
•il satellite USA/UK/Italia Swift
•ed il telescopio italiano REM
Immagine
d’insieme
Dove verrà installato?
The Swift Gamma-Ray Burst Explorer
Swift significa rapido, veloce, ma è
anche il nome del rondone..
Swift è un satellite che sarà lanciato
entro la fine del 2003.
Swift avrà a bordo tre diversi telescopi:
•un telescopio a grande campo sensibile
alle alte energie;
•un telescopio ai raggi X meno
energetici (progettato a Milano);
•un telescopio ottico/Ultravioletto.
Il telescopio a raggi X...
E quindi…
…e quindi speriamo di poter presto
presentare novità di grande rilievo...
E, nell’attesa, vi ringrazio per l’attenzione!