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Maggio/Giugno

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Supernovae, lampi di raggi gamma e collasso gravitazionale indotto

Workshop a Les Houches (Francia)

Il workshop, promosso dall’ICRANet all'interno del Programma Internazionale del Dottorato in Astrofisica Relativistica (IRAP PhD), co-sponsorizzato dal programma Erasmus Mundus della Commissione europea e dal programma CAPES-ICRANet e co-organizzato da Pascal Chardonnet, Georges Meynet e Remo Ruffini, si è tenuto a Les Houches, Francia, dall’11 al 16 maggio 2014. Durante il workshop sono stati raggiunti nuovi e importanti risultati nella ricerca astrofisica per i sistemi progenitori ad alta energia (1052-1054 erg) e di lampi di raggi gamma (GRB) associati a supernovae (SNE), per i meccanismi fisici e anche per le successive implicazioni cosmologiche. I GRB sono lampi di raggi gamma che si verificano quasi ogni giorno nel cielo. Essi sono gli eventi più energetici dell'universo intero, emettendo in pochi secondi raggi gamma con la stessa quantità di energia emessa in quello stesso secondo in tutte le bande dello spettro elettromagnetico (dalle onde radio ai raggi gamma) da tutti gli altri corpi celesti messi insieme. I GRB sono emessi alla formazione di un buco nero. Essi sono definiti "lunghi" quando la loro durata osservata è maggiori di 2 secondi, e "corti" in tutti gli altri casi. Alcuni dei GRB "lunghi" sembrano essere associati anche alle supernovae (SN), le esplosioni corrispondenti alle fasi finali della vita di stelle massicce. L'associazione tra GRB e SN, nel caso di GRB con una energia totale emessa maggiore di 1052 erg (ossia duecento milioni di volte più grande dell'energia irradiata da tutte le stelle della nostra Galassia in un secondo), può essere spiegata all'interno del paradigma Induced Gravitational Collapse (CIG), introdotto dal Prof. R. Ruffini e collaboratori nel 2001 e successivamente rivisitato in occasione del decimo Marcel Grossmann Meeting tenutosi a Berlino nel 2006. Progenitore di queste fonti GRB-SN si presume essere un sistema binario stretto composto da due corpi: un nucleo evoluto (formato principalmente da ferro, carbonio e ossigeno, quindi denominato "FeCO") di una stella massiccia sull'orlo di una esplosione di SN e una stella di neutroni (NS). Questi particolari sistemi sono denominati "binary driven hypernova" (BdHNe).



Molto importante è stata la partecipazione al workshop del Prof. Christopher L. Fryer, appositamente arrivato dai Laboratori Nazionali di Los Alamos, nonché di Mackenzie Warren, dell'Università di Notre Dame a South Bend (Indiana, USA), che hanno mostrato progressi importanti nell'applicare il paradigma CIG ai codici numerici delle esplosioni SN sviluppate attraverso molti anni a Los Alamos da Chris Fryer e David Arnett e da Jim Wilson a Livermore, successivamente esteso alla University of Notre Dame da Grant Mathews e il suo gruppo. L'incontro è stato anche arricchito dalla osservazione di GRB 140512A il 12 maggio, rilevato dai satelliti Swift e Fermi. L'intero gruppo di ricerca dell’ ICRANet ha dimostrato l'applicazione diretta del loro modello per lo studio del GRB giorno dopo giorno. In questo modo Giovanni B. Pisani e Ana Virginia Penacchioni sono stati in grado di predire il redshift compreso tra 0,6 e 1,1 dal primo principio della teoria, che è stato poi osservato il 19 maggio dal telescopio NOT alle isole Canarie (z = 0,725). Nella figura sopra il pronostico è visibile sulla lavagna. La scuola è stata particolarmente vivace per la presentazione dei risultati dei molti studenti sotto la guida della ICRANet Faculty (CL Bianco, L.Izzo, J. Rueda, S.-S. Xue), così come per gli scienziati collaboratori come il Prof. Massimo della Valle, direttore dell'Osservatorio di Napoli, e Aleksei Aksjonov da Mosca. In particolare, L. Izzo ha evidenziato la possibilità che i sistemi progenitrici BdHNe possano essere anche ad altissimo redshift (z = 8.2, circa 650 milioni anni dopo il Big Bang), con importanti implicazioni dal punto di vista cosmologico, cioè la possibilità di utilizzare GRB come indicatori di distanza e per testare la popolazione stellare dell’Universo ad alto redshift. Altri importanti risultati sono stati presentati da Marco Muccino e Yu Wang, dottorandi del Dottorato IRAP. L'analisi sul prototipo BdHN, GRB 090618 [Ruffini et al. A & A (2014); vedi sotto], ha evidenziato che i raggi X luminosità BdHN nascono dall’emissione grandangolo del materiale espulso SN, piuttosto che dal GRB. Questo aspetto riflette la presenza di una struttura nidificata e un comportamento comune secondo la legge di potenza e luminosità nei raggi X di tutti i BdHNe [Pisani et al. A & A (2013)], che sembra mantenere la stessa legge di scala anche nei raggi ottici, emissioni raggi gamma e ad alta energia [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.

Attività dell’ICRANet in Brasile e America latina

Durante il suo viaggio in Brasile nell’ultima settimana di maggio, il prof. Ruffini, direttore dell’ICRANet, ha partecipato a numerosi eventi che attestano la grande vitalità dell’Istituto nella repubblica sudamericana.
Dopo aver convocato una riunione straordinaria del Comitato Scientifico e dell’IRAP PhD Faculty presso il CBPF - Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas di Rio de Janeiro, il prof. Ruffini è stato protagonista di due importanti cerimonie: la prima per celebrare la firma dell’accordo tra l’ICRANet e l’UFF - Universidade Federal Fluminense nella sede di Niteroi, RJ. La seconda per rinnovare l’accordo quinquennale con l’UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, già firmato nel 2009.


Entrambi gli accordi, insieme a quelli già sottoscritti con il CAPES, il CBPF, il FAPERJ, il Governo do Estado do Cearà, l’ITA, l’UFPB, l’UFRGS, l’UNIFEI, e l’INPE, sono strategici per la ricerca scientifica internazionale e rappresentano una grande opportunità di crescita per scienziati e ricercatori europei e sudamericani.
Inoltre il prof. Ruffini ha incontrato Franklin Dias Coelho, Secretário Especial de Ciência e Tecnologia do Município do Rio de Janeiro, e partecipato all’inaugurazione della sede carioca dello IED – Istituto Europeo del Design, nel prestigioso Antico Cassino da Urca, un altro importante passo in avanti per la realizzazione del progetto comune “dal disegno dell’Uomo al disegno dell’Universo”.


Degna di nota inoltre l'assegnazione della menzione d'onore 2014 dalla Gravity Research Foundation ricevuta da C.R. Argüelles e dal professor R. Ruffini per un lavoro basato su un nuovo approccio che si occupa simultaneamente di super-massicci buchi neri e aloni di materia oscura nelle galassie (http://arxiv.org/abs/1405.7505).
Annunciata infine la prossima firma dell'accordo tra l’ICRANet e la UAM - Universidad Autónoma Metropolitana a Città del Messico il 9 luglio tra il Rettore della UAM, Dr. Salvador Vega León, e il direttore ICRANet, il professor Remo Ruffini.
Questo accordo segue la firma della convenzione tra ICRANet e UNAM - Universidad Nacional Autonoma de Mexico, che è già pienamente operativa (http://www.icranet.org/docs/UNAMsigned.pdf).

1° meeting scientifico ICRANet in Armenia

La fisica dei buchi neri domina alcuni dei fenomeni astrofisici più energetici dell'Universo. La formazione di un buco nero sembra essere correlata alla emissione di un Gamma Ray Burst (GRB), tra i fenomeni transitori più energetici nell'Universo. Il meccanismo di base sembra essere la creazione di una coppia elettrone-positrone che si verifica mediante un processo di polarizzazione di vuoto intorno alla teoria Kerr-Newman sul buco nero e dal meccanismo Heisenberg-Euler-Schwinger. Uno sforzo per raggiungere un tale regime quantistico elettromagnetico estremo viene attualmente affrontato anche in altri progetti in Europa, Russia e Stati Uniti. Inoltre un'emissione prolungata pare essere correlata alla rotazione elettromagnetici di buchi neri in microquasar. La presenza di Supermassive Black Holes (SMBHs) di 10 ^ 8 e 10 ^ 9 masse solari sembra essere correlata ai nuclei galattici attivi, blazar e quasar.
C'è la possibilità che, a differenza dei buchi neri di massa stellare, che si formano dal collasso gravitazionale di materia barionica, le SMBHs possono provenire dal collasso gravitazionale di materia oscura. Questo workshop affronterà sia gli aspetti osservativi che sperimentali e teorici. Da un punto di vista osservativo saranno esaminati i risultati ottenuti da osservatori energetici molto elevati, come HESS, MAGIC, AUGER, e da strumenti di prossima generazione. Allo stesso modo saranno esaminati risultati degli osservatori in raggi X e gamma come Agile, Fermi, Swift, MAXI e NuStar. Saranno inoltre presentate le osservazioni complementari a microonde e bande infrarosse dalla missione Planck. Saranno inoltre esaminati i progressi in corso per gli impianti sperimentali per cercare coincidenze con wavedetectors gravitazionali e rivelatori di neutrini. Da un punto di vista teorico attenzione sarà data ai progressi nella comprensione quantistica e dei fenomeni classici legati alla fisica dei buchi neri e al processo di estrazione della Black Hole Energy.

Prima della riunione scientifica ICRANet "Buchi neri: la più grande fonte di energia dell'Universo" che avrà luogo dal 30 giugno al 4 luglio, avrà luogo la Scuola di Dottorato IRAP per gli studenti dal 28 al 29 giugno ad Aghveran.

Un programma preliminare della riunione può essere trovato qui: http://www.icranet.org/images/stories/Meetings/meetingArmenia2014/preliminary_program.pdf

Si prega di scaricare la locandina da: http://www.icranet.org/images/stories/Meetings/meetingArmenia2014/Poster_Armenia_Yerevan_2014.pdf