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Lampi gamma da una supernova super brillante

Le magnetar sono tra gli oggetti più estremi dell’Universo. Sono estremamente compatte e hanno una massa come quella del Sole concentrata in un raggio di soli 10-20 Km. Il loro nome deriva dalla presenza degli elevati campi magnetici, i più potenti che conosciamo in natura. Credit: ESO

Astronomi del Niels Bohr Institute hanno osservato un lampo gamma di lunga durata, molto insolito, associato con una supernova super-brillante. I risultati di questo studio sono pubblicati su Nature. Continua a leggere Lampi gamma da una supernova super brillante

Svelare il mistero dei gamma-ray burst

In un articolo apparso su Astrophysical Journal Letters, due astronomi sperano di svelare le origini dei lampi-gamma, o gamma-ray burst (GRB)corti o di breve durata con l’ausilio di giganteschi ‘microfoni’ spaziali. I due ricercatori della Scuola di Fisica e Astronomia della Cardiff University stanno cercando di capire come potrebbe presentarsi l’eventuale ‘suono’ che si dovrebbe sentire quando i rivelatori LIGO e Virgo entreranno in funzione nel 2015. La speranza è che questi particolari ‘microfoni’, che si estendono su una scala di un chilometro, saranno in grado di rilevare le onde gravitazionali generate, ad esempio, quando una stella di neutroni viene ‘catturata’ da un buco nero. Queste esplosioni di radiazione estremamente energetiche sono state rivelate dai satelliti per raggi-gamma Fermi e Swift ma l’origine esatta dei lampi-gamma rimane ancora sconosciuta.

Cardiff University: Unravelling the Mystery of Gamma-Ray Bursts

arXiv: Prospects for joint gravitational-wave and electromagnetic observations of neutron-star–black-hole coalescing binaries

Ultra strong magnetic fields in neutron stars

Una serie di simulazioni numeriche mostra per la prima volta che la presenza di instabilità nel nucleo delle stelle di neutroni può determinare la formazione di campi magnetici giganteschi che possono a loro volta causare violente e drammatiche esplosioni stellari mai osservate nell’Universo.

An ultra-dense (“hypermassive”) neutron star is formed when two neutron stars in a binary system finally merge. Its short life ends with the catastrophic collapse to a black hole, possibly powering a short gamma-ray burst, one of the brightest explosions observed in the Universe. Short gamma-ray bursts as observed with satellites like XMM Newton, Fermi or Swift release within a second the same amount of energy as our Galaxy in one year. It has been speculated for a long time that enormous magnetic field strengths, possibly higher than what has been observed in any known astrophysical system, are a key ingredient in explaining such emission.

Scientists at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) have now succeeded in simulating a mechanism which could produce such strong magnetic fields prior to the collapse to a black hole.

How can such ultra-high magnetic fields, stronger than ten or hundred million billion times the Earth’s magnetic field, be generated from the much lower initial neutron star magnetic fields? This could be explained by a phenomenon that can be triggered in a differentially rotating plasma in the presence of magnetic fields: neighbouring plasma layers, which rotate at different speeds, “rub against each other”, eventually setting the plasma into turbulent motion. In this process called magnetorotational instability magnetic fields can be strongly amplified. This mechanism is known to play an important role in many astrophysical systems such as accretion disks and core-collapse supernovae. It had been speculated for a long time that magnetohydrodynamic instabilities in the interior of hypermassive neutron stars could bring about the necessary magnetic field amplification. The actual demonstration that this is possible has only now been achieved with the present numerical simulations. The scientists of the Gravitational Wave Modelling Group at the AEI simulated a hypermassive neutron star with an initially ordered (“poloidal”) magnetic field, whose structure is subsequently made more complex by the star’s rotation. Since the star is dynamically unstable, it eventually collapses to a black hole surrounded by a cloud of matter, until the latter is swallowed by the black hole.

These simulations have unambiguously shown the presence of an exponentially rapid amplification mechanism in the stellar interior, the magnetorotational instability. This mechanism has so far remained essentially unexplored under the extreme conditions of ultra-strong gravity as found in the interior of hypermassive neutron stars.

This is because the physical conditions in the interior of these stars are extremely challenging. The discovery is interesting for at least two reasons. First, it shows for the first time unambiguously the development of the magnetorotational instability in the framework of Einstein’s theory of general relativity, in which there exist no analytical criteria to date to predict the instability. Second, this discovery can have a profound astrophysical impact, supporting the idea that ultra strong magnetic fields can be the key ingredient in explaining the huge amount of energy released by short gamma-ray bursts.

MPI: The largest magnetic fields in the universe

arXiv: Magnetorotational instability in relativistic hypermassive neutron stars

La varianza quantistica della velocità della luce

A scuola ci insegnano che la velocità della luce è una grandezza fisica costante e, come sappiamo tutti, il suo valore è di quasi 300.000 Km/sec. Lo stesso Einstein fondò i principi della relatività speciale assumendo come postulato fondamentale l’invarianza della velocità della luce. Oggi, però, alcuni fisici teorici stanno studiando la possibilità che questo limite invalicabile possa essere superato come conseguenza della natura quantistica dello spazio vuoto (post).

La definizione della velocità della luce trova diverse applicazioni nel campo dell’astrofisica e della cosmologia perché, di fatto, si assume che la luce abbia una velocità costante nel tempo. Ad esempio, si parla della velocità della luce quando si eseguono le misure della costante di struttura fine che definisce l’intensità della forza elettromagnetica. Dunque, la variazione della velocità della luce potrebbe avere delle implicazioni importanti sui legami molecolari e sulla densità nucleare della materia. Inoltre, il fatto di avere la velocità della luce variabile nel tempo potrebbe incidere sulle stime della dimensione del nostro Universo. Tutto ciò non implica che un giorno potremmo viaggiare con una velocità superiore a quella della luce poiché gli effetti della teoria della relatività speciale sono una conseguenza della stessa velocità della luce. Il problema che si sono posti i teorici è quello di capire se è possibile misurare, in qualche modo, la velocità della luce partendo dalle proprietà quantistiche dello spazio vuoto. Da qui sono partiti due gruppi di ricercatori che nonostante propongano meccanismi differenti, essi arrivano alla stessa conclusione e cioè che la velocità della luce potrebbe non essere costante nel tempo se vengono modificate alcune assunzioni di base relative al modo con cui le particelle elementari interagiscono con la radiazione. In altre parole, si parte dal presupposto secondo cui lo spazio quantistico non è completamente vuoto ma è riempito di una sorta di “zuppa di particelle virtuali” che improvvisamente appaiono e scompaiono in una piccolissima frazione di secondo.

Nel primo articolo, Marcel Urban dell’Université du Paris-Sud analizza la natura dello spazio vuoto. Le leggi della meccanica quantistica, che descrivono il mondo degli atomi e delle particelle subatomiche, affermano che lo spazio vuoto è popolato di particelle fondamentali, come i quark, chiamate particelle virtuali. Queste particelle elusive, che emergono sempre in coppia con le loro antiparticelle, appaiono e scompaiono quasi immediatamente in un continuo processo di annichilazione tra materia e antimateria. Man mano che attraversano lo spazio, i fotoni, che costituiscono la radiazione, vengono catturati e riemessi dalle particelle virtuali. Urban ed il suo gruppo propongono che le energie delle particelle virtuali, più precisamente la quantità di carica che esse trasportano, possono modificare la velocità della luce. Dato che la quantità di energia che ogni particella virtuale possiede quando interagisce con il fotone è sostanzialmente casuale, questo effetto che si ha sul modo con cui i fotoni si muovono può altresì variare. Di conseguenza, il tempo che la luce impiega per attraversare una certa distanza varierà con la radice quadrata della distanza percorsa sebbene l’effetto sia molto piccolo, cioè dell’ordine di 0,005 femtosecondi per ogni metro quadrato di spazio vuoto (1 femtosecondo=1 milionesimo di miliardesimo di secondo). Ora, per osservare questa minuscola fluttuazione, occorre misurare il modo con cui la luce viene dispersa su distanze molto grandi. Alcuni fenomeni astronomici, come ad esempio i gamma-ray burst, producono degli impulsi energetici di radiazione elettromagnetica che arrivano sulla Terra dopo aver viaggiato per alcuni miliardi di anni-luce. Trovandosi ad enormi distanze cosmologiche, questi lampi di raggi-gamma potrebbero essere ottimi laboratori astrofisici per misurare questo piccolissimo intervallo di tempo. Una tecnica alternativa si basa, invece, sull’utilizzo di un fascio laser che rimbalza varie volte su una serie di specchi, ognuno separati da una distanza di circa 100 metri, allo scopo di determinare una impercettibile variazione della velocità della luce.

Nel secondo articolo, gli autori propongono un meccanismo differente che però porta alla stessa conclusione e cioè che la velocità della luce potrebbe variare nel tempo. Gerd Leuchs e Luis Sánchez-Soto del Max Planck Institute for the Physics of Light in Erlangen partono dal presupposto che la luce è caratterizzata da tutto l’insieme delle specie che compongono le particelle elementari. Gli autori calcolano che ci dovrebbero essere almeno 100 “specie” di particelle che possiedono una carica. Ma il modello standard delle particelle elementari ne identifica molto meno: l’elettrone, il muone, il taone, sei tipi di quark, il fotone ed il bosone W. Esiste una grandezza fisica, chiamata impedenza del vuoto, che dipende dalla permittività elettrica del vuoto, cioè dalla capacità di resistere ai campi elettrici, e dalla sua permeabilità magnetica del vuoto, cioè dalla capacità di resistere ai campi magnetici. Sappiamo che le onde luminose sono costituite sia dai campi elettrici che dai campi magnetici, perciò se modifichiamo la permittività e la permeabilità del vuoto dovute alle particelle virtuali, si potrà misurare una variazione della velocità della luce. In questo modello, l’impedenza del vuoto, che dovrebbe accelerare o rallentare la velocità della luce, dipende dalla densità delle particelle virtuali.

I due gruppi affermano entrambi che la luce interagisce con le coppie virtuali particelle-antiparticelle. Ma alcuni scienziati, come il fisico delle particelle Jay Wacker, rimangono scettici. Wacher non è convinto delle tecniche matematiche che sono state utilizzate dai due gruppi, non solo ma crede anche che esse non siano state applicate nel modo adeguato perciò una tecnica migliore potrebbe essere quella che fa uso dei cosiddetti diagrammi di Feynman. In più, se è vero che esistono molte altre particelle rispetto a quelle già note del modello standard allora la teoria necessita seriamente una revisione. Dobbiamo dire, però, che finora le previsioni del modello standard sono state precise, vedasi in particolare con la scoperta del bosone scalare (post). Certamente, questo non vuol dire che non esistono in natura altre particelle ma se ci sono con ogni probabilità si devono trovare a valori più elevati di energia che sono al momento al di fuori dei limiti strumentali raggiunti dagli acceleratori di particelle ed è quindi possibile che i loro effetti si mostrino altrove. Insomma, al momento non ci sono verifiche sperimentali che supportino queste idee che senza dubbio rimangono molto interessanti dato che potrebbero avere delle serie implicazioni sulle attuali teorie fisiche. Sarei stato curioso di sentire il parere di Einstein in merito.

arXiv (1° articolo): The quantum vacuum as the origin of the speed of light 
arXiv (2° articolo): A sum rule for charged elementary particles

Discovered a new class of gamma-ray burst

A team led by the University of Warwick has pinpointed a new type of exceptionally powerful and long-lived cosmic explosion, prompting a theory that they arise in the violent death throes of a supergiant star. These explosions create powerful blasts of high energy gamma-rays, known as gamma-ray bursts, but while most bursts are over in about a minute, this new type can last for several hours.

The first example was found by astronomers on Christmas Day 2010, but it lacked a measurement of distance and so remained shrouded in mystery with two competing theories put forward for its origin. The first model suggested it was down to an asteroid, shredded by the gravity of a dense neutron star in our own galaxy, the second that it was a supernova in a galaxy 3.5 billion light years away, or in the more common language of astronomers at a redshift of 0.33. A new study by a team of scientists led by Andrew Levan at the University of Warwick finds several more examples of these unusual cosmic explosions and shows that the Christmas Day burst took place in a galaxy much further away than the two theories suggested. This research has been presented at the GRB 2013 Symposium in Nashville, Tennessee on Tuesday 16 April. Using data from the Gemini Telescope in Hawaii, the scientists calculated that this ultra-long gamma-ray burst had a redshift of 0.847. This gives it a location of approximately half-way to the edge of the observable Universe, or 7 billion light years away. Armed with its location, Levan’s team, which included scientists from an international collaboration, has developed a new theory to explain how it occurred. They suggest this kind of burst is caused by a supergiant, a star 20 times more massive than the sun, which evolves to become among the biggest and brightest stars in the universe with a radius of up to 1 billion miles – up to 1,000 times that of the sun. They believe the ultra-long durations of the Christmas gamma-ray burst and two other similar bursts are simply down to the sheer size of the supergiants exploding in a supernova.

Most stars that create gamma-ray bursts are thought to be relatively small and dense, and the explosion that destroys them punches through the star in a matter of seconds. In the case of these new ultra-long bursts the explosion takes much longer to propagate through the star, and so the gamma-ray burst lasts for a much longer time. Levan said: “These events are amongst the biggest explosions in nature, yet we’re only just beginning to find them. It really shows us that the Universe is a much more violent and varied place than we’d imagined. Previously we’ve found lots of gamma-ray events with short durations, but in the past couple of years we’ve started to see the full picture.” Nial Tanvir, a professor at the University of Leicester, and second author of the study added: “We believe that powering the explosion is a newly formed black hole in the heart of the star. Predicting the detailed behaviour of matter falling into a black hole in these circumstances turns out to be very difficult, and from a theoretical point of view we didn’t initially expect explosions at all. “The amazing thing is that nature seems to have found ways of blowing up a wide range of stars in the most dramatic and violent way.” The more common type of gamma-ray burst is thought to be caused when a Wolf-Rayet star in the final phase of its evolution collapses into a black hole at its own core. Matter is drawn into the black hole, but some of its energy escapes and is focussed into a jet of material which blasts out in two directions forming copious gamma-rays in the process. These jets are ejected extremely quickly (close to the speed of light), otherwise the material would fall into the black hole from which it can’t escape. For this reason they last only a few seconds. However, a gamma-ray burst in a bigger star the size of a supergiant needs to power through a larger reservoir of material, hence its longer duration.

University of Warwick: Strange new bursts of gamma-rays point to a new way to destroy a star
arXiv: A new population of ultra-long duration gamma-ray bursts

Una ‘danza stellare’ a ritmo elevato

bh_star_shortestIl telescopio spaziale XMM-Newton ha permesso recentemente di identificare una coppia stellare, cioè una stella e un buco nero che orbitano l’una attorno all’altro ogni 2,4 ore, un record che si abbassa di quasi un’ora.

Il buco nero, noto con la sigla MAXI J1659-152, è almeno tre volte più grosso del Sole in termini di massa mentre la sua compagna, una nana rossa, ha una massa di appena il 20% equivalente a quella solare. La distanza che li separa è di circa un milione di chilometri. La scoperta di questo sistema stellare ‘stretto’ risale al 25 Settembre del 2010 quando il satellite Swift identificò dei segnali che inizialmente sembrava fossero associati ad un gamma-ray burst. Qualche giorno dopo, il telescopio giapponese MAXI situato presso la Stazione Spaziale Internazionale trovò nella stessa posizione una sorgente brillante di raggi-X. Successive osservazioni sia da terra che dallo spazio hanno poi permesso di capire il fatto che i raggi-X provenissero da un buco nero che sta attirando la materia dalla stella compagna. Questo processo dà luogo alla formazione di un disco di accrescimento attorno al buco nero da cui è stato ricavato un periodo orbitale del sistema pari ad appena 2,4 ore. Il record precedente era stato mantenuto da un’altra sorgente di alta energia identificata da Swift e denominata con la sigla Swift J1753.5–0127 il cui periodo orbitale è di 3,2 ore. Il buco nero e la stella orbitano attorno al comune centro di massa e dato che la stella è molto più leggera essa tende ad allontanarsi da questo punto e a percorrere l’orbita alla fantastica velocità di 2 milioni di chilometri all’ora, quasi 20 volte più veloce della velocità orbitale della Terra e la più alta finora misurata in un sistema binario che emette raggi-X, mentre la velocità orbitale del buco nero è di circa 150 mila chilometri all’ora. Il sistema binario si trova al di sopra del piano galattico e si ritiene che faccia parte, assieme ad altri due casi, di una nuova classe di sistemi binari, cioè oggetti che sarebbero stati espulsi dal piano della nostra galassia forse durante la formazione dello stesso buco nero.

ESA: Black hole- star pair orbiting at dizzying speed

arXiv: MAXI J1659-152: The shortest orbital period black-hole transient in outburst

Sw 1644+57, una stella in caduta libera verso un buco nero

Illustrazione artistica di ciò che gli astronomi ritengono sia stato il processo che ha determinato l'emissione di radiazione gamma nel momento in cui una stella viene distrutta dalla forza gravitazionale di un buco nero che risiede nel nucleo di una galassia a circa 3,8 miliardi di anni-luce. Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick
Illustrazione artistica di ciò che gli astronomi ritengono sia stato il processo che ha determinato l’emissione di radiazione gamma nel momento in cui una stella viene distrutta dalla forza gravitazionale di un buco nero che risiede nel nucleo di una galassia a circa 3,8 miliardi di anni-luce.
Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick

Secondo un gruppo di ricercatori della University of California, a Berkeley, un lampo di radiazione gamma (Gamma-Ray Burst, GRB), registrato dal satellite Swift, potrebbe essere stato dovuto alla morte di una stella mentre precipita verso un buco nero e viene distrutta.

Si tratta di un processo esplosivo molto diverso rispetto a quanto conosciamo” spiega Joshua Bloom. “Ciò che ha determinato il gamma-ray burst, denominato Sw 1644+57, va al di là di qualsiasi fenomeno che abbiamo studiato, sia per la sua lunga durata che per il fatto che proviene dal centro di una galassia. Ora, dato che quasi tutte le galassie contengono nel loro nucleo un buco nero super massiccio, è plausibile ritenere che un fenomeno di questo tipo sia associato con la distruzione di una stella che sta ‘precipitando’ verso il buco nero“. Il processo sta ancora continuando perché dato che il buco nero ha fatto a pezzi la stella, la sua massa continua a girare attorno al disco di accrescimento, un po’ come quando l’acqua del rubinetto scivola via nel lavandino, e questo processo libera una grande quantità di energia. Dall’analisi dei dati, i ricercatori suggeriscono che circa il 10% della massa della stella che sta precipitando verso il buco nero può essere convertita in energia e irradiata nello spazio dal disco di accrescimento sottoforma di raggi-X oppure può essere trasformata in raggi-X o raggi-gamma dal getto relativistico che è diretto verso la nostra linea di vista.

La figura mostra ciò che gli astronomi ritengono sia l'evoluzione della materia associata alla stella che sta precipitando attorno al disco di accrescimento che circonda il buco nero. Questo evento ha prodotto due getti di energia, perpendicolari al disco di accrescimento, uno dei quali punta verso la nostra linea di vista permettendoci così di rivelare la radiazione gamma di Sw 1644+57. Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick
La figura mostra ciò che gli astronomi ritengono sia l’evoluzione della materia associata alla stella che sta precipitando attorno al disco di accrescimento che circonda il buco nero. Questo evento ha prodotto due getti di energia, perpendicolari al disco di accrescimento, uno dei quali punta verso la nostra linea di vista permettendoci così di rivelare la radiazione gamma di Sw 1644+57.
Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick


Abstract: A Possible Relativistic Jetted Outburst from a Massive Black Hole Fed by a Tidally Disrupted Star

Nature’s Particle Accelerators

Nature’s Particle Accelerators – The Joint Space Science Institute at the University of Maryland and NASA Goddard Space Flight Center is hosting a workshop on “Nature’s particle accelerators” on October 22-25, 2012, in historic Annapolis, Maryland. The meeting will address the central scientific issues associated with particle acceleration across the universe.  Continua a leggere Nature’s Particle Accelerators

An INTEGRAL view of the high-energy sky (the first 10 years)

The 9th INTEGRAL workshop “An INTEGRAL view of the high-energy sky (the first 10 years)” will take place from 15 to 19 October 2012 in Paris, Bibliothèque Nationale de France (Bibliothèque François Mitterrand). The workshop will be sponsored by ESA, CNES and other French and European Institutions. During this week, and in particular on 17 October 2012, we will celebrate the 10th anniversary of the launch of the INTEGRAL mission. 

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