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Mai/Juni

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Supernovae, Gammastrahlenblitze und Induzierter Gravitationskollaps

Les Houches (France)

Der Workshop, von ICRANet im Rahmen des „International Relativistic Astrophysics Ph.D. Program“ (IRAP PhD) gefördert, co-gesponsort vom Erasmus Mundus Programm der Europäischen Kommision und vom CAPES-ICRANet Programm, und mitorganisiert von Pascal Chardonnet, Georges Meynet und Remo Ruffini, fand in Les Houches, Frankreich vom 11.-16. Mai 2014 statt. Er führte zu einigen wichtigen neuen Resultaten bei der Suche der Astrophysiker nach den Vorgängersystemen sehr energetischer (1052 – 1054 erg) Langer Gammerstrahlenblitze (GRBs) die mit Supernovae (SNe) in Verbindung gebracht werden, nach den physikalischen Mechanismen die dabei am Werk sind, und auch nach den kosmologischen Implikationen die daraus folgen. GRBs sind Blitze von Gammastrahlen die beinahe täglich am Himmel beobachtet werden. Sie sind die energiereichsten Ereignisse im gesamten Universum, und senden in wenigen Sekunden im Gammaband dieselbe Menge Energie aus wie im selben Zeitraum in allen Bändern des Spektrums (von Radio- zu Gammastrahlen) von allen anderen Himmelskörpern emittiert wird. GRBs werden emittiert wenn sich Schwarze Löcher formen. Sie werden als „lang“ klassifiziert wenn ihre beobachtete Dauer länger als 2 Sekunden beträgt, andernfalls als „kurz“.
Einige der „langen“ GRBs scheinen mit Supernovae (SNe) im Zusammenhang zu stehen, den Explosionen die das letzte Stadium im Leben eines massiven Sterns markieren. Der Zusammenhang von GRBs und SNe, im Fall von GRBs mit einer Gesamtenergie von mehr als 1052 (d.h. 200.000.000 mal größer als die von allen Sternen der Milchstrasse in einer Sekunde ausgestrahlten Energie), kann im Rahmen des Induzierten Gravitationskollaps (IGC) Paradigmas erklärt werden, zuerst eingeführt von Professor R. Ruffini und Mitarbeitern in 2001 und später überarbeitet beim „10th Marcel Grossmann Meeting“ in Berlin in 2006. Als Vorgänger dieser GRB-SN Quellen wird ein eng gebundenes Binärsystem angenommen das sich aus zwei unterschiedlichen Körpern zusammensetzt: ein in seiner Entwicklung fortgeschrittener Kern (größtenteils zusammengesetzt aus Eisen, Kohlenstoff und Sauerstoff, deshalb der Name „FeCo“) eines massiven Sterns kurz vor der Supernovaexplosion und ein Neutronenstern (NS) Begleiter. Diese speziellen Systeme heißen „Binär Getriebene Hypernovae“ (BdHNe).



Besonders wichtig war die Teilnahme von Prof. Christopher L. Freyer an dem Meeting, der extra von den Los Alamos National Laboratories eingeflogen wurde, sowie von Mackenzie Warren von der University of Notre Dame in South Bend (Indiana, USA), die wichtige Fortschritte in der Anwendung der numerischen Codes für Supernovaexplosionen, die über viele Jahre in Los Alamos von Chris Freyer und David Arnett und von Jim Wilson in Livermore entwickelt und später an der University of Notre Dame von Grant Mathews und seiner Gruppe erweitert wurden, auf das oben erwähnte IGC Paradigma berichteten.
Das Meeting wurde auch durch die Beobachtung von GRB 140512A am 12. Mai bereichert, entdeckt von den Satelliten „Swift“ und „Fermi“. Die gesamte Forschungsgruppe von ICRANet hat täglich die direkte Anwendung ihres Models auf diesen GRB demonstriert. Giovanni B. Pisani und Ana Virginia Pennacchioni waren in der Lage aus ersten Prinzipien der Theorie eine Rotverschiebung zwischen 0,6 und 1,1 vorherzusagen, welcher später am 19. Mai vom NOT Teleskop auf den Kanaren als z=0,725 beobachtet wurde. In der obigen Abbildung wird die Vorhersage an der Tafel präsentiert.
Das Meeting war besonders lebhaft durch die Präsentation der Resultate vieler Studenten unter der Betreuung der ICRANet Fakultät (C.L. Bianco, L. Izzo, J. Rueda, S.-S. Xue) sowie den kollaborierenden Wissenschaftlern Prof. Massimo Della Valle, Direktor des Observatoriums von Neapel, und Aleksei Aksenov aus Moskau. Insbesondere zeigte L. Izzo die Möglichkeit auf dass BdHNe Vorläufersysteme auch bei sehr hohen Rotverschiebungen existieren (z=8,2 – etwa 650 Millionen Jahre nach dem Urknall), mit sehr bedeutenden Implikationen für die Kosmologie, d.h. die Möglichkeit GRBs als Abstandsindikatoren zu benutzen um die stellare Population im Universum mit hoher Rotverschiebung zu testen. Andere wichtige Resultate wurden von Marco Muccino und Yu Wang, Ph.D. Studenten des IRAP PhD Programms, präsentiert. Die Analyse des prototypischen BdHN, GRB 090618 [Ruffini et al. A&A (2014), siehe obige Highlights], deutete darauf hin dass die BdHN Röntgenluminosität von der weitwinkligen Emission des SN Auswurfsmaterials herrührt, anstatt von dem GRB selbst. Dieser Aspekt spiegelt sich in der Anwesenheit einer verschachtelten Struktur und eines geminsamen späten Potenzgesetzverhaltens in den Röntgenluminositäten aller BdHNe wieder, [Pisani et al. A&A (2014)], welches dieselben Skalengesetze auch in den Gamma- und Hochenergieemissionen aufrechtzuerhalten scheint [Ruffini et al. ApJ submitted (2014)].

Highlights on an ICRANet publication of this month: On binary driven hypernovae and their nested late X-ray emission

(R. Ruffini, M. Muccino, C. L. Bianco, M. Enderli, L. Izzo, M. Kovacevic, A. V. Penacchioni, G. B. Pisani, J. A. Rueda, Y. Wang, Astronomy & Astrophysics, volume 565, id. L10, 2014)

In the paper by Rueda and Ruffini, Astrophysical Journal Letters (2012), 758, L7 it has been described the rapid evolutionary sequence of these systems, which consists of four distinct emission episodes, observed in the prototypical source GRB 090618 and described in the paper by Izzo, Rueda and Ruffini, Astronomy & Astrophysics Letter (2012). A brief summary of this time sequence is outlined: Episode 1 corresponds to the FeCO core explosion as a SN, with the consequent birth of a new NS (named ν-NS) as the remnant; part of the SN ejecta triggers an accretion process onto the NS companion, and a prolonged interaction between the ν-NS and the NS binary companion occurs. Episode 2 corresponds to the actual GRB; it occurs when the companion NS reaches its critical mass and gravitationally collapse to a black hole. Episode 3, observed in the X-rays, corresponds to an emission with a very precise behavior in time, consisting of a steep decay, starting at the end point of Episode 2, and then a shallow decay phase (or a plateau), followed by a late common power-law decay. Episode 4 corresponds to the optical SN emission occurring after ~10–15 days in the source cosmological rest frame.


In the paper by G.B. Pisani, L. Izzo, R. Ruffini, C.L. Bianco, M. Muccino, A.V. Penacchioni, J.A. Rueda, and Y. Wang, Astronomy & Astrophysics Letter (2013), 552, L5, it has been pointed out the most striking feature of these BdHNe: the common behavior in their late Episode 3 emission. No matter what is the total energetics of the whole event, the duration of Episode 1 and 2, or the distance from the observer of these systems, when we compute the amount of energy emitted per unit of time (luminosity) in a common energy band, the late Episode 3 emission at times larger than 104 s follows the same behavior in time and luminosity, providing a perfect overlap. This feature, in principle, would make these sources a possible distance indicator and suggests that the underlying physical mechanism must be the same in all of them.
In the recently published work by R. Ruffini, M. Muccino, C. L. Bianco, M. Enderli, L. Izzo, M. Kovacevic, A.V. Penacchioni, G.B. Pisani, J.A. Rueda, Y. Wang, 2014, Astronomy & Astrophysics, 565, L10, which is the subject of these highlights, we report the first attempt to give a global physical insight on the origin of Episode 3. One of the results of this work concerns the size of the emitting region where the Episode 3 originates, inferred from the analysis of the prototypical BdHNe, GRB 090618. During the steep decay phase of its Episode 3, a thermal component has been observed in the X-rays. Beyond its very physical meaning, a thermal spectrum is the only emission model which can provide a direct estimate of the size of the emitting region. In the present case it has been inferred the initial size of the source of ~1013 cm, which expands at 0.9 times the speed of light c. This represents the evidence that Episode 3 X-ray luminosity of these sources originates from the wide angle emission of the SN ejecta, rather than from the GRB as it was purported before, since the GRB has typically much higher expansion velocities and, therefore, larger typical dimensions of the emitting region of ~1016-1017 cm (see figure above). The steep decay, the plateau, and the late power-law decay in Episode 3 luminosities for three selected BdHNe (GRB 060729, GRB 061121, and GRB 130427A) were compared and contrasted. Not only these selected BdHNe present a late time overlapping, but they evidence further properties: the higher the energetic of the source, the shorter the plateau phase duration, while the late time emission always overlaps following a precise power-law decay. This represents an authentic nested structure (see figure below). In particular, with the inclusion of all our best known sample of BdHNe, precise scaling laws involving the plateau duration and luminosity, as well as the average luminosity of prompt emission have been inferred.


The common asymptotic late power-law behavior in all BdHNe can be explained by the role of r-process, which are responsible of creating heavy elements. The best scenario for the r-process occurs during the merger of binary NSs (i.e., during the interaction of the companion NS with the ν-NS), where a very neutron-rich dense medium favors the production of nuclei heavier than iron. These are unstable and then decay in lighter daughter nuclides, generating a cascade of reactions, which represents the “fuel” that keeps the late Episode 3 emission going on. Recent computations of the luminosity obtained by the r-process provide a power-law with slopes -1.4≤α≤-1.1 [see the paper by B. D. Metzger, G. Martınez-Pinedo, S. Darbha, E. Quataert, A. Arcones, D. Kasen, R. Thomas, P. Nugent, I. V. Panov and N.T. Zinner, (2010) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 406, 2650], strikingly similar to the ones we have found in the late Episode 3 X-ray luminosity.

ICRANet-Aktivitäten in Brasilien und Lateinamerika

Während seines Besuches in Brasilien in der letzten Woche hat Professor Ruffini, Direktor von ICRANet, an mehreren Veranstaltungen teilgenommen die die Dynamik unseres Instituts in dem südamerikanischen Land beweist. Nach der Einberufung eines außerordentlichen Treffens des Wissenschaftlichen Komitees und der IRAP PhD Fakultät am CBPF – Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas – in Rio de Janeiro war Prof. Ruffini an zwei wichtigen Zermonien beteiligt. Die erste feierte die Unterzeichnung der Vereinbarung zwischen ICRANet und UFF – Universidade Federal Fluminense – am Sitz in Niteroi, RJ. Die zweite erneuerte die fünf-Jahres-Vereinbarung mit UERJ – Universidade do Estado do Rio de Janeiro, die zuerst in 2009 unterzeichnet wurde.


Beide Vereinbarungen, zusammen mit denjenigen die bereits mit CAPES, CBPF, FAPERJ, der Regierung des Staates Ceará, ITA, UFPB, UFRGS, UNIFEI und INPE unterzeichnet wurden, sind strategisch für die internationale wissenschaftliche Forschung in Europa und Südamerika.
Ausserdem traf Prof. Ruffini mit Franklin Dias Coelho, Secretário Especial de Ciência e Tecnologia des Município do Rio de Janeiro zusammen, nahm an der Einweihung des Sitzes von IED – Instituto Europeo di Design – im repräsentativen historischen Cassiono da Urca teil, und brachte den Aufbau der zwei Institute von ICRANet und IED „from the Design of Men to the Design of the Universe“ weiter auf den Weg.


Erwähnenswert ist auch die Vergabe der ehrenvollen Auszeichnung 2014 der Gravity Research Foundation an C.R Argüelles und Professor R. Ruffini für die Arbeit an einer neuen Herangehensweise, die gleichzeitig supermassive Schwarze Löcher und Halos von Dunkler Materie in Galaxien betrachtet [http://arxiv.org/abs/1405.7505].
Es wurde auch die ausstehende Unterzeichnung der ICRANet-UAM – Universidad Autónoma Metropolitana – Vereinbarung in Mexico City am 9. Juli zwischen dem Rektor der UAM, Dr. Salvador Vega y León und dem Direktor von ICRANet, Professor Remo Ruffini, angekündigt. Diese Unterzeichung folgt der Vereinbarung zwischen ICRANet und UNAM – Universidad Nacional Autonoma de Mexico – die voll in Kraft ist (http://www.icranet.org/docs/UNAMsigned.pdf).

Wissenschaftliches ICRANet-Meeting in Armenien – Eriwan Juni/Juli 2014

Die Physik Schwarzer Löcher dominiert einige der energiereichsten astrophysikalischen Phänomene im Universum. Die Bildung eines Schwarzen Lochs scheint mit der Emission eins Gammastrahlenblitzes in Zusammenhang zu stehen, den energiereichsten Übergangsphänomenen im Universum. Der grundlegende Mechanismus scheint die Erzeugung eines Elektronen-Positronen-Plasmas aufgrund von Vakuumpolarisation nahe eines Kerr-Newmann Schwarzen Lochs durch den Heisenberg-Euler-Schwinger Mechanismus zu sein.
Es finden augenblicklich Bemühungen in Europa, Russland und den USA statt, solch ein extremes elektromagnetisches Quantenregime mit Hilfe von Mega-Joule Laserprojekten zu erreichen. Ausserdem scheint eine anhaltende Emission mit rotierenden elektromagnetischen Schwarzen Löchern in Mikroquasaren zusammenzuhängen. Das Vorhandensein Supermassiver Schwarzer Löcher (SMBHs) von 108 und 109 Sonnenmassen scheint mit aktiven Galaxierkernen, Blazaren und Quasaren in Zusammenhang zu stehen. Es besteht die Möglichkeit dass, anders als Schwarze Löcher im Bereich der Sonnenmasse, die durch den Gravitationskollaps baryonischer Materie entstehen, SMBHs vom Gravitationskollaps Dunkler Materie herrühren.
Dieses Meeting wird sowohl observationelle/experimentelle als auch theoretische Aspekte berühren. Vom observationellen Standpunkt aus werden Resultate von VHE (Very High Energy) Observatorien auf der Erdoberfläche wie HESS, MAGIC, AUGER und von Instrumenten der nächsten Generation besprochen. Auch die Beobachtungen von Weltraumobservatorien im Röntgen- und Gammastrahlenbereich wie Agile, Fermi, Swift, MAXI und NuStar werden besprochen. Auch die komplementären Beobachtungen im Mikrowellen- und Infrarotband der Planck Mission werden präsentiert. Laufende Fortschritte der experimentellen Anlagen um nach Koinzidenzen mit Gravitationswellen- und Neutrinodetektoren zu suchen werden besprochen. Vom theoretischen Standpunkt aus wird dem Fortschritt im Verständnis der Quanten- und klassischen Phänomene Aufmerksamkeit gewidmet, die mit der Physik Schwarzer Löcher und dem Prozess der Energieextraktion Schwarzer Löcher in Zusammenhang stehen.

Ein vorläufiges Programm findet sich hier: http://www.icranet.org/images/stories/Meetings/meetingArmenia2014/preliminary_program.pdf

Laden Sie das Poster herunter: http://www.icranet.org/images/stories/Meetings/meetingArmenia2014/Poster_Armenia_Yerevan_2014.pdf