Astrofisica relativistica e particelle

26/02/2021

L’astrofisica delle alte energia, o relativistica, comprende tutte le sorgenti galattiche ed extragalattiche caratterizzate da elevata compattezza (cioè alto rapporto tra massa e dimensione), tipicamente: nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri da poche  masse solari fino a 109 masse solari. La compattezza fa sì che la materia o il plasma che circonda queste sorgenti si muovano con velocità vicine alla velocità della luce, spesso in strutture geometriche altamente asimmetriche e collimate, come i getti.

Oggetti compatti sono sistemi stellari binari con una stella di neutroni o un buco nero, sistemi binari di stelle di neutroni o buchi neri, stelle di neutroni in rapida rotazione (pulsar), alcune delle quali sono altamente magnetizzate (magnetar e lampi radio veloci), gamma-ray burst, stelle massicce che esplodono (supernovae) e nuclei galattici attivi (AGN).

Queste sorgenti di alta energia sono laboratori esclusivi di relatività speciale e generale. Le loro elevate masse, densità, energie, spin e campi magnetici favoriscono l’estrazione di enormi quantità di energia gravitazionale o magnetica che possono accelerare le particelle fino a energie di 1020 eV. La loro fisica estrema implica grandi luminosità,  variabilità di ampiezza elevata, su tutto lo spettro elettromagnetico dalle lunghezze d’onda radio alle energie TeV, e presenta molti collegamenti con altri rami della fisica come la fisica delle particelle e la fisica gravitazionale. Questo è il motivo per cui le sorgenti relativistiche vengono studiate al meglio con un approccio “multi-banda” e “multi-messenger”.

Il concetto di “multi-banda” sottolinea l’importanza di osservare simultaneamente un fenomeno astrofisico di alta energia a tutte le lunghezze d’onda, per seguire come le variazioni nei diversi intervalli siano correlate. Il concetto di “multi-messenger” riflette il fatto che lo stesso evento fisico può manifestarsi attraverso diversi fattori di informazione. Ad esempio: una fusione binaria di stelle di neutroni produce 1) raggi gamma, raggi X ed emissione radio sotto forma di un breve GRB e il suo bagliore residuo, 2) luce termica ottica e nel vicino infrarosso dal decadimento radioattivo di elementi chimici appena formati, 3) neutrini MeV dal raffreddamento della sorgente compatta residua, 4) onde gravitazionali dalla fase di spiraleggiamento, fusione e post-fusione.

Le osservazioni di queste sorgenti sono effettuate dagli scienziati dell’OAS con una vasta gamma di strutture sia nello spazio (Chandra, XMM, INTEGRAL, Swift, HXMT, Fermi) che a terra (telescopi ottici presso ESO, GTC, LBT, TNG, REM, Telescopio di Loiano, stazioni radioastronomiche di Medicina, Noto e Sardegna), tra cui il prossimo Cherenkov Telescope Array per le energie TeV, situato in Cile e Isole Canarie, la cui sede è ospitata presso l’Area di Ricerca di Bologna e il futuro  Extremely Large Telescope  dell’ESO (Cile), dotato del potente sistema di ottica adattiva MAORY.

Sono in atto collaborazioni con consorzi di rivelatori di neutrini (es. ICECUBE) e interferometri ad onde gravitazionali (LIGO-VIRGO). Nuove missioni spaziali sono attualmente in fase di progettazione presso l’OAS in collaborazione con l’Agenzia spaziale europea, in particolare l’Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics (ATHENA), il Transient High Energy Sky and Early Universe Surveyor (THESEUS), l’enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission (eXTP) e l’ High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites – Scientific Pathfinder (HERMES).

La manutenzione e l’elaborazione dei grandi archivi di dati eterogenei che i citati osservatori producono, richiedono infrastrutture hardware e strumenti software dedicati. OAS ha una lunga esperienza nelle tecnologie dell’informazione che vanno dall’elaborazione dei dati in tempo reale alla gestione di database a più lunghezze d’onda.

Nonostante la nostra attività sia eminentemente osservativa, disponiamo di codici e competenze per l’analisi e l’interpretazione teorica e ci avvaliamo della collaborazione di teorici presso altre sedi INAF, Istituti e Dipartimenti Universitari in Italia e all’estero.

 

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