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Le piu’ violente esplosioni dell’Universo

Gabriele Ghisellini

INAF – Osservatorio Astronomico di Brera

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….

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La madre di tutte le esplosioni: il Big Bang

13.7 miliardi di anni fa…

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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 milardi di anni.

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Nei primi 3 minuti si forma l’elio. Temperatura:~1miliardo di gradi. Non si formano gli altri elementi.

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L’universo bambino: appena 300.000 anni di eta’…

piccole differenze di temperatura (una parte su un milione). Piccole, ma importanti…

Semi delle future galassie

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dopo qualche miliardo di anni… i semi crescono

100 miliardi di galassie e proto-galassie, disposte in filamenti e “noduli”

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e adesso…

Spirale

Ellittica

Peculiare

Irregolare

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Noi siamo qui

100.000 anni luce

La via Lattea

~100 miliardi di stelle

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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?

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Idrogeno 🡪 Elio nel nucleo

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Nana bianca

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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).

Fatta di idrogeno e elio

Non brucia. Come fa ad essere stabile?

Rifiuto degli elettroni a stare vicini

(meccanica quantistica)

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Il sole converte idrogeno in elio. E gli altri elementi? Noi per esempio…

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Noi siamo fatti di…

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ossigeno	65%

Noi siamo fatti di…

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ossigeno	65%
carbonio	18%

Noi siamo fatti di…

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ossigeno	65%
carbonio	18%
idrogeno	10%

Noi siamo fatti di…

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ossigeno	65%
carbonio	18%
idrogeno	10%
azoto	3%

Noi siamo fatti di…

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ossigeno	65%
carbonio	18%
idrogeno	10%
azoto	3%
calcio	1.5%

Noi siamo fatti di…

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ossigeno	65%
carbonio	18%
idrogeno	10%
azoto	3%
calcio	1.5%
fosforo	1.2%

Noi siamo fatti di…

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ossigeno	65%
carbonio	18%
idrogeno	10%
azoto	3%
calcio	1.5%
fosforo	1.2%
potassio, zolfo cloro, sodio, magnesio, ferro, cobalto, rame, zinco, iodio, selenio, fluoro	~1%

Noi siamo fatti di…

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99%

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ossigeno	65%
carbonio	18%
idrogeno	10%
azoto	3%
calcio	1.5%
fosforo	1.2%
potassio, zolfo cloro, sodio, magnesio, ferro, cobalto, rame, zinco, iodio, selenio, fluoro	~1%

Noi siamo fatti di…

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99%

13.6 miliardi di anni

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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?

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Sole

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

ζ Puppis

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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..)

Prima

Dopo

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gravita’

pressione

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gravita’

pressione

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gravita’

Nucleo di ferro

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gravita’

Stella di neutroni

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Onda d’urto

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>10,000 km/s

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Supernova 1987a

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Supernova 1987a

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Supernova 1987a

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Cas A ~1680 11000 anni luce

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Keplero 1604 20000 anni luce

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Tycho 1572 7500 anni luce

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Granchio

1054 d.C. astronomi cinesi

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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.

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4 Agosto 1967

Jocelyn Bell (allora 24enne), dottoranda di Antony Hewish a Cambridge

bip

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Campo magnetico alla superficie: 10¹²(=mille miliardi) di Gauss

Terra: ~ 1 Gauss

Magnetino da frigo: ~100 Gauss

10 km

Non brucia. Come fa ad essere stabile?

Rifiuto degli neutroni a stare vicini

(meccanica quantistica)

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Pulsar Granchio

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gravita’

Nucleo di ferro

Se la stella non e’ troppo pesante i neutroni riescono a sostenere la gravita’

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gravita’

Nucleo di ferro

Buco nero

Se la stella e’ piu’ pesante la gravita’ vince tutte le resistenze

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ROMA

10 km

3 km

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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.

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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

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Miliardi di anni luce…

La loro energia e’:

Come 100 Supernovae

Come il Sole per 3000 miliardi di anni

Come tutta la nostra Galassia per 100 anni

Record: GRB 090423. L’Universo aveva “appena” 630 milioni di anni

e tutto in pochi secondi…

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Fanno male?

strato dell’ozono

Se scoppia una supernova o un gamma ray burst a meno di 10.000 anni luce da noi….

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fitoplancton

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Eta Carinae: 7000 anni luce dalla Terra

Probabilmente non ci sparera’ addosso…

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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’.

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Dal Big Bang l’Universo si sta espandendo

Ma la gravita’ tende a frenare

Piu’ massa c’e’, piu’ la gravita’ e’ grande

L’Universo si espandera’ per sempre?

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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’

“Aperto” o “Chiuso”?

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Come lo scopriamo?

L=100 W

Brillante!

Debole!

vicino

lontano

Primo passo: candele standard

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Come lo scopriamo?

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)

Secondo passo:

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Esempio:

Supernova, 5 milardi di anni fa

Debole

grande espansione, poca massa

Brillante

piccola espansione, tanta massa

Molto debole

“troppa” espansione ? Che diavolo succede???

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Tempo dal Big Bang

Vel. di espansione

Se una macchina continua a frenare, fara’ meno strada 🡪 la distanza tra noi e la supernova sara’ minore

Brillante, poca distanza

piccola espansione, tanta massa

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Tempo dal Big Bang

Vel. di espansione

4 miliardi di anni fa

frena

accelera

Se una macchina accelera, fara’ piu strada 🡪 la distanza tra noi e la supernova sara’ maggiore

L’ Universo sta accelerando!!!

Molto debole, grande distanza

“troppa” espansione ? Che diavolo succede???

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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???

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E il futuro?

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Grazie dell’attenzione e arrivederci…

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“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

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Long GRBs

θ_jet = 0.1 rad; L_jet = 10⁵⁰-10⁵¹ erg/s

magnetar

Collapsar

(BH+disk)

B~10¹⁵ G

Short GRBs

Merging of NS+NS or NS+BH

The millisecond magnetar is a normal NS with a 1 up to 1.5 Msun and an intense magnetic field. The energy available is the rotational energy and it is emitted via dipole emission. The energy budget is satisfied to produce the GRB. However in this model, before the NS settle down to its maximal (millisecond) rotation, there is a phase of accretion (at a rate that can be even of 0.1 Msun/sec) which could lead to the formation of a BH, this must be prevented for this model to work.

In the supranova model the delay of the NS to BH transition is regulated by the magnetic field. If normal the timescale is one year, it can be much lower if the B is very high (magnetar like). However, the model was proposed because it can make a clear (baryon free environment) due to the long delay between the SN explosion and the BH formation. About 10-20% of the NS does not form the balck hole but settles into a disk. Then the model for the GRB production is similar to the collapsar.

The advantage of the collapsar model is that it can power the GRB for very long time through fallback. This seems to be a requirement in the latest years since the discovery of long emission from GRBs (Flares and tails)

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