Stefano CovinoOsservatorio 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...

GRB 021125

Cortesia di D. Gotz e S. Mereghetti, IASF Milano

Ma vediamo prima di capire cosa è un buco nero...

L'idea di "buco nero" ha raggiunto il grande pubblico solo di recente. Tuttavia, in realtà, risale ad almeno 2 secoli fa:

Sir William Herschel (1738-1822)

Nel 1770 John Michell, Rettore di Thorhill e astronomo, speculava sull'azione esercitata dalla gravità sulla luce;

Le idee di Michell furono poi riprese da William Herschel, nel 1791, per spiegare la natura delle nebulose!

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.

Albert Einstein

(1879-1955)

L'idea di buco nero torna infine alla ribalta agli inizi del secolo, con la formulazione della teoria della Relatività Generale di Albert Einstein.

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.

Se la velocità iniziale fosse sufficientemente alta, oltre la velocità di fuga, il grave potrebbe non ricadere più sulla Terra e sfuggire alla sua attrazione gravitazionale:

La velocità di fuga sulla Terra è circa 11 km/s, sulla Luna 2.4 km/s e sul Sole 620 km/s.

Teniamo presente questo punto:

•all'aumentare della massa (e al diminuire del raggio) del corpo considerato aumenta la velocità di fuga!

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.

Ci sono anche altri effetti della gravità sulla radiazione elettromagnetica:

Un raggio gamma perfettamente monocromatico spedito dalla base di una torre raggiunge la cima con una frequenza un po' più bassa che alla partenza.

Queste osservazioni vengono interpretate nel contesto della relatività generale come il manifestarsi di distorsioni dello spazio-tempo.

Riassumendo:

Aggiungiamo un ultimo punto: la velocità della luce è la massima velocità possibile nell’universo!

•La gravità influenza effettivamente la propagazione della luce;

•La velocità di fuga aumenta all'aumentare della densità dell'oggetto considerato;

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...

Un oggetto di questo genere non può che apparire nero ad un ipotetico osservatore!

Abbiamo un BUCO NERO!

Esistono simili oggetti in natura?

In effetti diversi fenomeni astronomici possono portare alla formazione di un buco nero:

•Buchi neri come prodotto degli ultimi stadi dell'evoluzione stellare;

•Buchi neri primordiali, prodottosi alla nascita dell'universo stesso;

•Buchi neri al centro di galassie attive.

I Buchi neri vengono invocati per spiegare una grande quantità di fenomenologie:

•dischi di accrescimento,

•getti,

•nuclei galattici attivi,

•dinamica di nuclei galattici e di ammassi stellari,

•lampi di luce gamma,

•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.

Se questo accade in un tempo scala di pochi secondi la rotazione del buco nero viene frenata e, simultaneaente, l’energia di rotazione dello stesso viene convertita in fotoni.

Abbiamo, quindi, una “sfera di fuoco”, e di conseguenza un lampo di luce gamma!

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!

INTEGRAL

Dopo il “lampo” si possono avere emissioni a frequenze più basse, anche ottiche e radio, e quindi osservabili con telescopi a terra.

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?

Swift significa rapido, veloce, ma è anche il nome del rondone..

The Swift Gamma-Ray Burst Explorer

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!