Osservazione di Gamma Ray Bursts con Argo - YBJ Relatore Dott.ssa Silvia Vernetto Candidato Ferriani...
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Transcript of Osservazione di Gamma Ray Bursts con Argo - YBJ Relatore Dott.ssa Silvia Vernetto Candidato Ferriani...
Osservazione di Gamma Ray Osservazione di Gamma Ray Bursts con Argo - YBJBursts con Argo - YBJ
Relatore
Dott.ssa Silvia Vernetto
Candidato
Ferriani Giulia
23 Luglio 2004
Gamma Ray BurstsGamma Ray Bursts (GRBs) (GRBs)
• Scoperti negli anni ’60• Osservati solo da satelliti• Energia dei fotoni dai KeV ai TeV• Sorgente sconosciuta
Compton Gamma Ray Observatory
- CGRO(1991 - 2000)
OSSE
0.05 -10 MeV
BATSE20 KeV- 10 MeV
COMPTEL
0.8 -30 MeV
EGRET20 MeV - 30 GeV
Beppo Sax(1996 – 2000)
X-ray detectors
Gamma Ray Burst monitor
40-700 KeV.
Mappa GRBs osservati da BATSEMappa GRBs osservati da BATSE
Forma e durata diverse
Nessuna correlazione tra flusso, tempo e
morfologia
Curve di luceCurve di luce
GRB galattici o extragalattici?GRB galattici o extragalattici?
BATSE ha trovato una distribuzione isotropa dei Burst e una carenza di oggetti deboli
Il flusso medio registrato è di circa 10-6 erg/cm2
Burst galattici Alone galattico di almeno 100 Kpc
Energia emessa di circa 1042 erg
Burst extragalattici Lo spostamento verso il rosso causa la
carenza di oggetti deboli
Energia emessa di circa 1051-54 erg
(più di una supernova)
GRB 970228Emissione di raggi X vista da Beppo Sax in coincidenza col GRB ma più debole e più lunga nel tempo. Lo spettro X decresce con una legge di potenza.
L’afterglowL’afterglow
GRBEmissione raggi X
GRB 970228
28 Feb 3 Mar
Immagini dell’emissione in raggi X riprese da Beppo Sax
Prima controparte ottica del GRB ripresa
dall’ Hubble Space Telescope
Di tutti i Burst osservati il quasi tutti hanno l’afterglow nella banda X, il 50% anche nella banda ottica, nell’infrarosso e radio
Il primo redshift zIl primo redshift z
Origine cosmologica!
Lo studio degli spettri delle controparti ottiche ha permesso di determinare i redshift z e quindi le distanze dei bursts: per il GRB
970508 si è calcolato z ≥ 0.84 corrispondente a una distanza di circa 5*109 anni luce
I GRBs più lontani osservati hanno z = 3.9 e z = 4.5 e sono avvenuti quando l’universo era “piccolo piccolo”!
Requisiti del modello:
– Origine extragalattica– Altissima energia prodotta ≈ 1051-54 erg– Spettro di emissione ampio:
– Lampo γ di breve durata– Piccole dimensioni della sorgente
OrigineOrigine dei GRBs dei GRBs
GRB: gamma, X
Afterglow: X, ottico, radio
ModelloModello FIREBALL FIREBALL
Fusione di un sistema binario compatto
Collasso gravitazionale
(Ipernovae)
Ci sono forti indicazioni di un collegamento tra Supernovae e GRBs (curve di luce, righe del ferro)
Esplosione a velocità relativistica accelera gli elettroni
La decelerazione produce l’Afterglow
Gli elettroni di sincrotrone producono il GRB
(Stelle di neutroni o buchi neri)
Emissione isotropa o in jets?
Assorbimento extragalatticoAssorbimento extragalattico
L’interazione dei fotoni gamma con
fotoni di bassa energia (infrarossi, ottici) dello spazio
extragalattico causa
l’assorbimento dei γ di alta energia
e-
e+
γ + γ e+ e-
Luce stellare Polveri
100 TeV1000 TeV10 TeV1 TeV
100 GeV
Energia raggi γ
Lunghezza d’onda dei fotoni
Radiazione cosmica di
fondo
Background
AssorbimentoAssorbimento d di raggi gammai raggi gamma
zEedE
dN
dE
dN ,0 L’assorbimento di
radiazione aumenta con l’energia E e con
la distanza z
Stecker, 1998
Argo YBJ detectorArgo YBJ detector
Apparato a sciame a copertura totale
grande altitudine (4300m)
Detector installati (Dic 2002) = 1650 m2
RivelatoreRivelatore: tappeto di: tappeto diResistive Plate Counters Resistive Plate Counters (RPCs) coperto da 0,5 cm Pb(RPCs) coperto da 0,5 cm Pb
Full coverage carpetFull coverage carpet78 x 75 m78 x 75 m22 circondato circondatoda un anello da un anello 111 x 99 m111 x 99 m22
Area totale: 6700 mArea totale: 6700 m22
Configurazione del rivelatoreConfigurazione del rivelatore
1.3 x 2.8 m2
7.6 x 5.7 m2
18480 PADs
56 x 62 cm2
12 10
RPCs
Vista dell’interno del laboratorio: camere RPCVista dell’interno del laboratorio: camere RPC
ARGO consente una misura di alta risoluzione dello ARGO consente una misura di alta risoluzione dello spazio tempo del fronte dello sciamespazio tempo del fronte dello sciame
Primi sciami rivelati da ArgoPrimi sciami rivelati da Argo
Sciami a bassa molteplicità
Sciami piccoli
Npad ≥ 20
Permette di ricostruire la direzione di arrivo con un errore di circa 2.7°
E > 102 GeV
Tecniche di rivelazione di GRBs con ArgoTecniche di rivelazione di GRBs con Argo
Non ricostruisce la direzione
E > 10 GeV
Particella singola
GRB
fondo
Raccolta e analisi datiRaccolta e analisi dati
Si selezionano dai cataloghi i GRBs con redshift z misurato
Per ogni GRB:
Si è utilizzato il flusso rivelato dai satelliti tra i KeV e i MeV e si è estrapolato alle alte energie utilizzando uno spettro di potenza E-2
Si modifica lo spettro tenendo conto dell’assorbimento dei fotoni nello spazio extragalattico
Si ipotizza un angolo zenitale = 20°
Si valuta l’eventuale segnale del GRB rivelato da Argo
GRB Ascensione Retta
Declinazione Redshift z fluence (Mev cm-2
sec)
dt (sec)
coeff k (gamma cm-2 sec-1 GeV-1)
031203 +08:02:30,36 -39:51:00,10 0,105 0,002 30 0,00093
030429 +12:13:07,50 -20:54:49,70 2,65 0,131 5 0,09468
030329 +10:44:49,96 +21:31:17,44 0,168 2,857 35 0,49184
030328 +12:10:48,40 -09:20:51,30 1,52 0,188 100 0,07239
030323 +11:06:09,40 -21:46:13,20 3,372 0,026 26 0,01021
030226 +11:33:04,93 +25:53:55,30 1,98 0,036 100 0,01375
021211 +08:08:59,88 +06:43:37,88 1,01 0,110 5,7 0,06813
021004 +00:26:54,68 +18:55:41,60 2,3 0,011 100 0,00628
020813 +19:46:41,87 -19:36:04,81 1,25 0,190 125 0,13706
020405 +13:58:03,12 -31:22:21,90 0,69 0,469 40 0,33813
020124 +09:32:50,83 -11:31:11,00 3,198 0,027 70 0,01133
011211 +11:15:17,98 -21:56:56,20 2,14 0,012 270 0,00404
010921 +22:55:59,90 +40:55:53,00 0,45 0,010 12 0,00452
000926 +17:04:09,00 +51:47:10,00 2,066 0,550 25 0,39674
000911 +02:18:34,36 +07:44:27,70 1,058 0,006 500 0,00451
000418 +1225:19,30 +20:06:11,60 1,118 0,271 30 0,19536
000301c +23:39:27,12 +75:47:12,86 2,03 0,208 6 0,15028
000131 +06:13:31,00 -51:56:40,00 4,5 0,125 50 0,09017
991216 +05:09:31,30 +11:17:07,26 1,02 4,470 21 4,20063
991208 +16:33:53,52 +46:27:21,00 0,706 1,042 60 0,75140
990510 +13:38:07,64 -80:29:48,80 1,619 0,148 80 0,05186
990506 +11:54:52,92 -26:43:39,90 1,3 0,929 150 0,57732
990123 +15:25:30,34 +44:45:59,10 1,6 2,188 100 0,76427
980703 +23:59:06,67 +08:35:07,09 0,966 0,015 90 0,00510
980613 +10:17:57,82 +71:27:25,50 1,096 0,053 20 0,03320
980425 +01:36:23,92 +15:45:12,87 0,01 0,063 40 0,03488
980329 +07:02:38,02 +38:50:44,02 3,9 0,568 55 0,31711
980326 +08:36:34,28 -18:51:23,90 1 0,125 5 0,06976
971214 +11:56:26,35 +65:12:00,70 3,42 0,297 40 0,16569
970508 +06:53:49,00 +79:16:19,50 0,835 0,055 35 0,01415
970228 +05:01:41,68 +11:47:05,10 0,695 0,347 3,6 0,09413
31 31 GRBs analizzatiGRBs analizzati
Distribuzione degli z
0
1
2
3
4
5
6
7
0 1 2 3 4
Redshift z
Num
ero
di
GRBs
Distribuzione durate temporali
0
1
2
3
4
5
6
7
1 10 100
Durate dei Bursts (sec)
Num
ero
di G
RBs
Molti GRB hanno z 1
La maggior parte dei GRB ha durata
tra 10 e 100 sec
Modello di spettro differenziale
2
1
2
1
21,E
E
E
E
EdEEKEdEdE
dNEEF
12
21
lnln
,
EE
EEFK
Fluence F (E1,E2) misurata da satellite
EKdE
dN
Valutazione dello spettro differenzialeValutazione dello spettro differenziale
con α =2
Valutazione del coeff. dello spettro
Spettro con assorbimento
Distribuzione coeff K
0
2
4
6
8
10
-3 -2 -1 0 1
Log10[valori di K(MeV/cm2/s)]
Freq
uenz
e
di fondone segnalefluttuazio
segnaleGRB
Si utilizza un programma che:
Simula il flusso di raggi gamma del GRB e la risposta del rivelatore
Valuta il numero di eventi attesi dal GRB e dal fondo
Confronta il segnale col fondo e valuta la significatività statistica del segnale:
sigma LM Vs. redshift z
0
5
10
15
20
25
30
35
0 1 2 3 4 5Redshift z
sig
ma
LM
sigma SP Vs. redshift z
0
5
10
15
20
0 1 2 3 4 5Redshift z
sig
ma
SP
Distribuzione delle sigma rispetto ai redshift zDistribuzione delle sigma rispetto ai redshift z
Con la tecnica della particella singola si ha
maggiore sensibilità per gli eventi ad alto redshift
Argo può vedere 4 GRB sui 31 analizzati
circa il 13%
GRB 030329
Ad Ottobre 2004 sarà lanciato il Satellite SWIFT per osservare GRB
Si prevedono 320 GRB osservati in un anno
Argo ha un campo di vista di circa 1.5 sr, (circa il 12% della sfera celeste).
Se rivela una frazione del 10% dei GRB visti da Swift
Prospettive per Argo
Argo osserverà alcuni GRB l’anno
Grazie
per l’attenzione
e
Buone Vacanze!