Le Nuove Astronomie
Marco G. Giammarchi
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)
[email protected]
http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/
• Introduzione
• Astronomia con fotoni
• Raggi Gamma
• Raggi Cosmici
• Neutrini
• Onde Gravitazionali
12/21/2015
Planetario di Milano
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1. Introduzione
Astronomia (ἀστρονομία) secondo la
definizione: lo studio e la misura dei
corpi celesti (gli astri).
• Introduzione
• Astronomia con fotoni
• Raggi Gamma
• Raggi Cosmici
• Neutrini
• Onde Gravitazionali
Tradizionalmente eseguito con metodi ottici. Le stelle si guardano !
O con metodi in ogni caso basati su radiazione elettromagnetica (visibile o no)
Ma ora, che abbiamo imparato a conoscere le particelle subucleari…
Possiamo fare nuove astronomie, studiando particelle che vengono dagli astri !
Ma quali particelle ?
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Particelle elementari ?
Ossigeno
Materia: composta da costituenti fondamentali:
Molecole, Atomi, Nuclei
Molecole: costituenti della materia
Ipotizzate per comprendere la Chimica
Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811)
Idrogeno
Idrogeno
1010 m
A loro volta le Molecole sono composte da Atomi
Atomo = Nucleo, Elettroni
L’Elettrone: una particella
davvero elementare
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A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da:
I quark (costituenti un
protone o un neutrone)
sono particelle elementari
quark
quark
PROTONE
quark
1010 m
1014 m
Le particelle “elementari” sono quelle che
costituiscono tutte le altre e che non hanno
una loro struttura interna.
Sono i mattoni costruttivi dell’Universo
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Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni
Sono elementari al meglio di 10-18 m
Materia ordinaria
Hanno spin e carica ben definiti
Costituiscono la
materia in
condizioni ordinarie
M
a
s
s
a
Costituiscono le
particelle instabili
Decadono in particelle stabili
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Interazioni tra Particelle elementari
Interazioni Gravitazionali
Interazioni Elettromagnetiche
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Interazioni Nucleari Forti
Interazioni Nucleari Deboli
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Un esempio semplice:
l’atomo di deuterio
p  (u, u, d )
n  (u , d , d )
Interazioni
elettromagnetiche
Interazioni forti
10-15 m
Quark:
Cariche frazionarie
Spin semi-intero
10-10 m
Quark, elettroni e fotoni sono i Costituenti Fondamentali dell’Atomo
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Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con
acceleratori di particelle.
Ricetta:
• prendere particelle cariche
• accelerarle con sistemi
elettrici e magnetici
(acceleratori)
• farle urtare tra loro
Tunnel di LHC, CERN (Ginevra)
Nei grandi laboratori sistemi
complessi di acceleratori portano
particelle a energie elevatissime
Negli urti tra queste particelle, altre
particelle vengono prodotte. Massa
si trasforma in energia e viceversa
Planetario Milano - 20/11/2012
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Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori:
CMS al CERN di Ginevra
Sistemi complessi composti da
rivelatori specializzati
ATLAS al CERN di Ginevra
Planetario Milano - 20/11/2012
CDF al Fermilab (Chicago)
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2. Astronomia con fotoni
• Introduzione
• Astronomia con fotoni
Metodi ottici. I telescopi.
• Raggi Gamma
Ma anche sfruttando una gamma molto
estesa dello spettro elettromagnetico.
• Raggi Cosmici
In fondo, cosa è un fotone ?
• Onde Gravitazionali
• Neutrini
Un portatore del
campo ondulatorio
elettromagnetico.
Può avere lungheze
d’onda diversissime
Cambia la frequenza,
ma sempre di fotoni
si tratta !
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Astronomia ottica (esempio)
L’Astronomia dei grandi telescopi ottici
(anche nello spazio, come Hubble)
Keck
Riflettori da 3 m Keck a
Mauna Kea (Hawaii)
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Astronomia infrarossa
(esempio)
La scoperta della
Radiazione Infrarossa
(William Herschel,1800)
Immagine infrarossa
della Nebula Carina
osservata dalla Wide
Field Camera 3 dello
Hubble Telescope.
Lo spettro infrarosso è
fortemente assorbito
dall’atmosfera, rendendo
spesso necessaria la
rivelazione nello spazio.
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Astronomia con le
microonde
(esempio)
La radiazione cosmica di fondo
è una delle prove del Modello
del Big Bang
Planck
Mappa della
radiazione cosmica
di fondo ottenuta dal
satellite Planck
dopo la rimozione
dei contributi dovuti
a sorgenti locali e
dell'anisotropia di
dipolo.
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Radioastronomia
(esempio)
1930: prima rivelazione di
radiazione radio dalla Via Lattea
Planck
Sistema interferometrico VLA, New Mexico
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M87 nell’ottico
e nel Radio
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Astronomia X
(esempio)
1962: prima scoperta di
radiazione X proveniente da
sorgenti cosmiche (Riccardo
Giacconi)
Planck
Molto utile per studiare gli
oggetti altamente energetici
dell’Universo
L’osservazione di uno stesso
oggetto astronomico in diverse
lunghezze d’onda fornisce una
incommensurabile ricchezza di
informazioni
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3. Raggi Gamma
A rigore, si tratta sempre di astronomia
con fotoni.
Stavolta le energie dei fotoni (> 100
keV) in gioco sono tali da richiedere
tecniche di rivelazione che sono tipiche
della fisica nucleare.
• Introduzione
• Astronomia con fotoni
• Raggi Gamma
• Raggi Cosmici
• Neutrini
• Onde Gravitazionali
Studio di oggetti astrofisici ad energie estreme : Supernovae, Hypernovae,
Pulsars, Blazars, Gamma Ray Bursts. Anche ricerche di Materia Oscura.
Nello spazio:
• INTEGRAL,
• Fermi Gamma Ray Space Telescope
• AGILE (un satellite italiano, Agenzia Spaziale Italiana, Istituto Nazionale di
Astrofisica, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
Fermi Gamma Space Telescope : astronomia gamma fino a circa 200 GeV
E’ una astronomia già ora: vi sono sorgenti gamma note nel Cosmo !
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Il centro della Galassia visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope
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Il cielo a energie oltre 100 MeV
visto da EGRET sul Compton
Gamma Ray Observatory (2000)
Il cielo a energie oltre 1 GeV visto
dal Fermi Gamma Ray Space
Telescope (2011)
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Astronomia Gamma a terra: l’uso dell’atmosfera
(radiatore Cerenkov) permette di estendere verso
l’alto l’intervallo energetico studiato.
 MAGIC (a destra)
 Cerenkov Telescope Array (nel futuro)
Le energie ora sono quelle tipiche degli acceleratori
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4. Raggi Cosmici
Particelle cariche che arrivano dallo
spazio fino alle energie più elevate mai
osservate per le particelle elementari
• Introduzione
• Astronomia con fotoni
• Raggi Gamma
• Raggi Cosmici
• Neutrini
• Onde Gravitazionali
I Raggi Cosmici, scoperti all
inizio del ‘900 hanno una
origine ancora sconosciuta.
Possono provenire dall’interno
della nostra Galassia ma anche
dal Cosmo in generale.
Possono venire studiati nello
spazio oppure a terra,
sfruttando la loro interazione
con l’atmosfera terrestre.
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Acceleratori terrestri e cosmici
Affinche’ sia possibile creare/distruggere
particelle elementari, occorre fornire energia
concentrata in dimensioni piccolissime.
Questo avviene negli acceleratori di particelle
terrestri. O negli acceleratori cosmici.
Acceleratore di particelle
Pulsar
Planetario Milano - 20/11/2012
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Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s)
Un AGN puo’ accelerare particelle
che attraversano milioni di anni luce
di spazio (che e’ quasi vuoto)
Le particelle accelerate dagli AGN
possono raggiungere il Sistema
Solare e la Terra.
e possono interagire nell’atmosfera.
Sono i Raggi Cosmici
Planetario Milano - 20/11/2012
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AMS: Alpha Magnetic Spectrometer
Ricerca antiparticelle nello spazio
Lanciato nel Maggio 2011
Residente sulla Stazione Spaziale
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
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Il flusso dei raggi cosmici si
estende per molti ordini di
grandezza in energia.
E diventa sempre più flebile alle
energie più elevate.
Flusso sufficiente per rivelatori
nello spazio (di area per forza
limitata dal payload)
Flusso che richiede lo studio in forma
indiretta, tramite l’interazione dei
raggi cosmici con l’atmosfera. Si
osservano gli Sciami Atmosferici
1 GeV
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Un protone in LHC
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L’aumento di energia richiede tecniche diverse
Le energie più alte arrivano fino a
1020 eV, pari a 30 Joule !
1
T  m v2
2
L’energia di una persona di 60 kg che
si sposti con una velocità di 1 m/s
Una energia macroscopica
concentrata in una particella
elementare !
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Principio di funzionamento del rivelatore Pierre Auger
Rivelazione della
fluorescenza atmosferica
Rivelazione di
impatto a Terra
Alle immense energie di Auger (e del Telescope Array) non è ancora una astronomia. Non vi
sono sorgenti identificate di Raggi Cosmici di Ultra-Alta Energia
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Rivelatore di superficie dell’Osservatorio Auger
Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011
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5. Neutrini
• Introduzione
Le particelle conosciute che hanno
interazione più debole di tutte
• Astronomia con fotoni
• Raggi Gamma
• Raggi Cosmici
Una astronomia dei neutrini è già
iniziata. Le sorgenti astronomiche di
Neutrini note da tempo sono :
• Neutrini
• Onde Gravitazionali
• La Terra - attraverso la radioattività naturale del mantello e della crosta. I
neutrini vengono emessi dai decadimenti beta dei nuclidi radioattivi naturali
• Il Sole - attraverso le reazioni di fusione che avvengono nel nucleo. I neutrini
vengono emessi nei processi deboli.
• La Supernova 1987A . I neutrini sono il modo più efficace col quale la stella
perde la sua energia, cambiando di dimensione.
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Il caso del Sole
Produzione di energia : al centro del Sole. Energia, fotoni, neutrini
Energia associata ai fotoni: 200 mila anni di tempo per uscire dal Sole !
Energia associata ai neutrini ?
I neutrini escono dal Sole in 2 secondi !
Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012
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Rivelazione di neutrini (esempio: Laboratorio Gran Sasso)
I neutrini sono particelle elementari
Nel caso dei Neutrini Solari,
raggiungono la Terra in 8 minuti
rivelabili per mezzo di urti nucleari

con altre particelle
Ad esempio: diffusione elastica
sugli elettroni del mezzo
  e v  e

e
e
Gli elettroni (carichi!) lasciano
un segnale rivelabile
Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012
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La ricerca di neutrini da
sorgenti cosmiche :
ANTARES al largo della
Costa Azzurra.


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Lo sviluppo di rivelatori sottomarini su
grande scala è una affascinante sfida
tecnologica
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…e la risposta di questi rivelatore è una
question «planetaria» (qui Superkamiokande
situato in una miniera giapponese)
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La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ICECUBE al
Polo Sud.
Rivelatore costituito da sensori di luce
distribuiti a grande profondità nel ghiaccio
antartico

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ICECUBE : identificazione di Neutrini dal Cosmo !
"Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,"
IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al. Science 342, 1242856 (2013). DOI:
10.1126/science.1242856
28 neutrini cosmici segnano l’inizio della nuova astronomia a neutrini
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Il grande vantaggio dei neutrini come «puntatori cosmici» :
A causa della loro scarsa propensione a interagire con la materia, possono
penetrare regioni dense dello spazio.
A causa della loro neutralità elettrica possono propagarsi senza essere deviati dai
campi magnetici della nostra galassia (ed extragalattici).
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6. Onde Gravitazionali
• Introduzione
• Astronomia con fotoni
La Relatività Generale e’ la attuale
migliore teoria della Gravitazione.
• Raggi Gamma
La gravità è descritta come una proprietà
geometrica dello spaziotempo.
• Neutrini
• Raggi Cosmici
• Onde Gravitazionali
Massa
Energia
Rappresentazione
dello spaziotempo
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Il meccanismo di emissione di onde gravitazionali
Il Radiatore Elettromagnetico (dipolo
oscillante)
Cariche in movimento emettono
onde elettromagnetiche
Scoperte da Hertz nel 1886
Radiatore gravitazionale (quadrupolo
oscillante)
Masse in movimento emettono onde
gravitazionali
Non ancora scoperte
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Onde Gravitazionali : perturbazioni
dello spaziotempo dovute al
movimento delle masse (energie). Si
propagano alla velocità della luce.
Esempio: due stelle di neutroni che
orbitano rapidamente l’una intorno
all’altra
Ma quale è l’effetto di un’Onda Gravitazionale ?
Tipica variazione della lunghezza L
Perturbazione gravitazionale
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Si tratta di un effetto in generale debolissimo:
L’Interferometro italo-francese VIRGO (Cascina, Pisa) per la rivelazione delle Onde
Gravitazionali
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Riassumendo (penultima trasparenza):
Quali (e quante) Astronomie per studiare il Cosmo ?!
 Astronomia con fotoni
Nella sua maturità. Ma con sempre grandi
margini di miglioramento (anche se fosse
“solo” tecnologico. Ma non lo sarà mai).
 Raggi Gamma
Iniziata e nella sua infanzia/adolescenza.
Identificate molte sorgenti gamma.
 Raggi Cosmici
In fase di studio. Deve ancora nascere.
 Neutrini
Appena nata. Auguri!
 Onde Gravitazionali
In fase di studio. Deve ancora nascere.
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Per concludere: uno sguardo al Cosmo intero
Le nuove astronomie come radiazioni fossili dell’Universo primordiale:
 CMB (primi 300,000 anni di storia universale)
 Neutrini (primi 10 secondi di storia universale)
 Onde Gravitazionali (primi 10-36 secondi di storia universale)
Grazie per la vostra attenzione
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