1
Dallo spazio profondo alla
Terra: risultati e sorprese del
satellite di astrofisica gamma
AGILE
M.TavaniXCVII Congresso Nazionale
Società Italiana di Fisica, L‟Aquila,
26 sett. 2011
2
extreme cosmic accelerators
3
Missioni spaziali di astrofisica dei
raggi gamma (E > 30 MeV)
SAS-2 NASA Nov. 1972 – Lug. 1973
COS–B ESA Ago. 1975 – Apr. 1982
CGRO NASA Apr. 1991 – Giu. 2000
AGILE ASI 23 Aprile 2007
Fermi NASA 11Giugno 2008
4
Astrofisica dei raggi gamma sopra i 100 MeV
Picture of the day, Feb. 28, 2011, NASA-HEASARC
AGILE Fermi
La Missione AGILE
ASI : Agenzia Spaziale Italiana
INAF : Istituto Nazionale di
Astrofisica
INFN : Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare
Istituti Scientifici coinvolti nella Missione AGILE
Resp. Scientifico: M. Tavani (INAF e Univ. Tor Vergata)
co- Resp. Scientifico : G. Barbiellini (INFN e Univ. Trieste)
• INAF-IASF Roma
• INAF-IASF Milano
• INAF-IASF Bologna
• INFN- Sez. Trieste
• INFN- Sez. Roma I
• INFN- Sez. Roma II
• Università di Trieste
• Università di Roma “Tor Vergata”
• Università “La Sapienza”
• CIFS - Consorzio Interuniversitario
per la Fisica Spaziale (Torino)
Centro Dati ASI
la sfida di AGILE
• configurazione speciale di programma
• “Piccola” Missione
• budget limitato
• configurazione di management particolare:
ASI, PMI e Istituti scientif.
• co-partecipazione realizzativa di INFN e INAF
per lo strumento
• risorse ottimizzate, rischi potenziali8
AGILE: una Missione italiana
Il Payload di AGILE: lo
strumento più
compatto
dell‟astrofisica delle
alte energie
Combina per la prima
volta un rivelatore di
raggi gamma (30 MeV- 30
GeV) con un rivelatore
di raggi X duri (18-60
keV) con un ampio
campo di vista (1-2.5 sr)
e una risoluzione
angolare ottimale
AGILE: dentro il cubo…
ANTICOINCIDENZA
RIVELATORE DI
RAGGI X DURI
(SUPER-AGILE)
RIVELATORE DI RAGGI
GAMMA
TRACCIATORE AL
SILICIO
(MINI) CALORIMETRO
AGILE: dentro il cubo…
RIVELATORE DI RAGGI
GAMMA
TRACCIATORE AL
SILICIO
Convertitore
al Tungsteno
gamma-ray detected by the AGILE Tracker
• AGILE combina rivelatori co-allineati di
raggi gamma (50 MeV – 5 GeV) e raggi-X
duri (20-60 keV)
• AGILE è ottimizzato vicino ai 100 MeV
– ottima risoluz. angolare PSF (~3º at 100 MeV)
– esposizione tipica giornaliera di
EXP ~ 107 cm2 sec
uno strumento altamente innovativo
Il Satellite AGILE (IABG, Monaco
16 Giugno 2006)
peso del satellite:
350 kg
Om agnim ile purohitan
yajnasya devam rtvijam
hotaram ratnadhatamam
Rig Veda, I, 1
base di lancio, Sriharikota (India)
23 Aprile 2007
I parametri orbitali di AGILE
Asse semi-maggiore: 6922.5 km ( 0.1 km)
Requisito: 6928.0 ± 10 km
Angolo di inclinazione: 2.48 ( 0.04 )
Requisito: < 3
Eccentricità: 0.002 ( 0.0015)
Requisito: < 0.1
AGILE: quinto anno in orbita…
• ~ 22,830 orbite, 26 settembre 2011.
• Performance scientifica molto
competitiva
• Dati di AGILE aperti alla comuità
tramite ASI (Centro Dati di Frascati)
Le due vite di AGILE
AGILE in
pointing
AGILE in
spinning
Periodo di tempo Lug. 07 – Ott.09 Nov. 2009 -
puntamento fisso variabile
(spinning, 1º/sec)
Copertura del cielo 1/5 ~ 70%
„source livetime
fraction‟
~ 0.5 ~ 0.2
Esposizione di 1
giorno(fuori asse di 30 gradi,
100 MeV)
~ 2 107
(cm2 sec)
(0.5-1) 107
(cm2 sec)
22
23
Il cielo gamma di AGILE (E > 100 MeV)Esposizione di 2 anni: Luglio 2007 – Giugno 2009
• Crab Nebula flares
• Cygnus X-3 and microquasars
• Resolution of the cosmic-ray origin:
SNRs W44, IC443, W28
• Super-bright blazar 3C 454.3
• Discovery of emission up to 100 MeV
from Terrestrial Flashes
25
AGILE top 10 discoveries:Astrophysics, fundamental physics, climate studies
• Nature of the Vela pulsar nebula
• First (gamma-ray) imaging from space of
TGFs
• Soft PSRs
• The brightest BL Lac, 5S 0726+724
• Flaring of the Mrk 421
26
AGILE top 10 discoveries:Astrophysics, fundamental physics, climate studies
• l‟incredibile Nebulosa del Granchio
• sorprese da stelle relativistiche e
Buchi Neri galattici e in altre galassie
• origine dei Raggi Cosmici
• super-Lampi Gamma Terrestri
27
Crab Nebula
28
29
30
Crab Nebula spectrum (Hester 2008)
L synchrotron ~ 1.3 ∙1038 erg/s 26% of the LPSR spindown
EPSR ~ 2∙ 1049 erg
LX ~ 1037 erg/s at 2 kpc
FX ~ 2∙ 10-8 erg cm-2 s-1 = 1 Crab
31
La Nebulosa del Granchio:
l‟acceleratore par excellence
Marco Tavani, "AGILE Discovery
of Gamma-Ray flares from the
Crab Nebula"
PULSAR MOLTO ENERGETICA (ruota 30 volte al
secondo)
FORTI SHOCK NELLA NEBULOSA DAL VENTO DI PARTICELLE DELLA PULSAR
31
32
“CRAB” PULSAR: STELLA DI NEUTRONI RUOTANTE CON UN FORTE CAMPO MAGNETICO:
P = 33 msec
L(spindown) = 5 1038 erg/s
33
emissione della pulsar Crab (Pellizzoni et al. 2009)
radio (1.4 GHz)
raggi X-rays (18-60 keV)
Super-AGILE
raggi gamma(> 100 MeV)
AGILE-GRID
raggi gamma(> 500 MeV)
AGILE-GRID
3434
L‟acceleratore della Nebulosa del
Granchio
35
non-symmetric PSR wind
(relativistic e+/e-, ions (?), γo ~ 102-104)
• dN/dt = Lsd / (n γ m c2) ~ 1040.5 s-1 .
• much larger than GJ ! pair multipl. factor κ ~104
36
Kennel-Coroniti picture of the Crab Nebula
37
Modelli teorici di accelerazione
• accelerazione diffusiva di shock (DSA)
(“Fermi al primo ordine”)
• accelerazione di “shock-drift”
resultati dipendono crucialmente dal tipo di
particelle (e+/e-, ioni), campi magnetici
locali, proprietà del vento della PSR, ecc.
38
un modello standard MHD (deJager etal. 1996)
• accelerazione di particelle in shock o instabilità
MHD/plasma, assumendo E/B = 1
• tacc-1 ~ α′ ωB/ (ωB = eB/mc; α′ < 1)
• -1d /dt =(eB/ mc)(E/B)α′- (4/3)ζT(B2/8π) /mc
• d /dt=0 implica un‟energia massima
max ~109(E/B)1/2(α′/sin2θ B-3)1/2
39
• L’energia massima dei fotoni emessi è
indipendente dal campo magnetico B:
(”taglio di syncrotrone”) for E/B = 1:
• Emax= 3/2 ħ ωB m2 ~ (200 MeV) (δ α′/sinθ)
paradigma “standard” per la Crab
(de Jager, Harding et al. 1996)
40
spettro della Nebulosa del Granchio (Crab Nebula)
“taglio” di
sincrotrone
41
SCOPERTA DA PARTE DI AGILE
DELLA VARIABILITA‟ DELLA
NEBULOSA DEL GRANCHIO
41
Tavani et al., Science, 331, 736 (2011)
Abdo et al., Science, 331, 739 (2011)
42
43
AGILE: l‟analisi a terra la più rapida
Satellite
Malindi Ground Station
Fucino TZP MOC
ASDC
AGILE Team
Guest Observers
Public data access
Automatic
data processing
~1 hr
~0.5 hr
~0.5-1 hr
~(2-2.5) hr
Data processing
Unit in INAF-Bologna
44
PRIMO ANNUNCIO PUBBLICO: 22 Sept. 2010: AGILE emana l’Astronomer’s Telegram n. 2855 che annuncia una forte emissione gamma transiente dalla Crab.
Science Express (6 January 2011)
44
45
post-flare excitement
Bernardini E., 2011
46
Flare date Duration Peak γ-ray flux γ-ray Etotal γ-ray eff. Instrument
Oct. 2007 ~ 15 days ~ 9∙10-6 ph cm-2 s-1 ~ 1042 erg ~ 8∙10-4 AGILE
Feb. 2009 ~ 15 days ~ 7∙10-6 ph cm-2 s-1 ~ 1042 erg ~ 6∙10-4 Fermi
Sept. 2010 ~ 4 days ~ 7∙10-6 ph cm-2 s-1 ~ 1041 erg ~ 5∙10-4 AGILE,
Fermi
Apr. 2011 ~ 10 days ~30∙10-6 ph cm-2s-1 ~ 1042 erg ~ 5∙10-4 AGILE,
Fermi
• I 4 episodi principali
Tasso: 1-2/anno
47
• Cosa può essere ?
– la PULSAR ? • nessuna evidenza di variazione del segnale
pulsato radio/X/gamma di 33 ms
– emissione nella NEBULA • shock o instabilità di plasma, diversi candidati
48
toroidal “wisps”
49
“jets”
50
“jets”
J ~ 60º
51
“jet” shockstoroidal shocks
PSR wind inner region,
Knot 1
il super-transiente
della Crab Nebula
(12-18 aprile 2011)
52
53
AGILE, 12 hr. resol.
Fermi-LAT, 6 hr. resol.
55
Crab Nebula super-flare spectrum (Apr. 16, 2011) Striani et al. Astro-ph/July 2011
E/B ≳ 2 !
56
a model (Vittorini V., M.T. et al., ApJ, accepted 2011)
• dN( )/d = -p1 for min < < break
with p1 = 2.1, min = 5∙105, break = 2∙109
• dN( )/d = -p2 for break < < max, with p2 = 2.7,
• total particle number Ne-/e+ = 1042.
• size, Larmor radius R ≤ 1016 cm
• local B ≈ 10-3 G (10 times larger than average)
• max≈ break ≤109 (E/B)(δ α'/sinθ)1/2 (B/10-3 G)-1/2
• δ = 2-3
57
• MHD approximation fails in the Crab Nebula, E/B > 2 needed
• magnetic field reconnection viable, but where ?
58
Evento dell‟aprile 2011
• luminosità gamma di picco
L ≈ 1.5·1036 erg cm-2 s-1
• kin. power fraction of PSR spindown Lsd,
ε ≈ 0.003 (η-1/0.1) ≈ 0.03
• tempi-scala:
– salita: ≤ 6-12 ore
– discesa: ~ 1-2 giorni
accelerazione
molto efficiente !
raffreddamento
veloce, B, Lorentz γ
59
• contraddizione con i modelli di
accelerazione basati su MHD !
– accelerazione di shock di e-/e+ da turbolenza
magnetica
– modelli con risonanza di ioni
• La Nebulosa del Granchio riesce ad
accelerare elettroni/positroni alle energie di
1000.000 di GeV ( = 1 PeV, ~ 109) !
– avviene entro un tempo scala di 6-12 ore !
60
problemi
• calcoli attuali dei processi idrodinamici di
MHD danno tempi scala troppo lenti
• modelli diffusivi di accelerazione non
applicabili: quale altro meccanismo più
efficiente ?
• una sorta di accelerazione catastrofica di
“runaway”, probabilmente mediata da campi
elettrici paralleli al campo magnetico
61
ipotesi per l‟accelerazione veloce
• Instabilità MHD “veloci”
• accelerazione da reconnessione
magnetica e in “current sheets”
• classe particolare di shock relativistici
62
Hubble (optical) Oct. 2, 2010 Chandra (X-rays) Sept. 28, 2010PUZZLING ACCELERATION:IL MISTERO DELL’ACCELERAZIONE:
• deve essere MOLTO EFFICIENTE implicando siti di produzione“vicini”
alla PSR
62
• accelerazione NON in accordo con la previsione delle teorie di accelerazione
“diffusiva” lenta, una grande SFIDA
• accelerazione fino alle energie E = 1015 eV, 1000 volte maggiori delle
energie dell’LHC al CERN
•
Microquasars
63
Galactic “Micro-Quasar” GRS 1915+105
(Mirabel & Rodriguez, Nature, 371, 46 (1994)
Buchi Neri galattici “Micro-QSOs” (con getti)
Θ (degrees) β Γ LX/LE γ/TeV
Cyg X-1 ? ? ? 0.1-1 YES
Cyg X-3 < 14 > 0.8 > 1.6 0.1-1 YES
SS 433 80 0.26 1.03 0.01 no
GRS 1915+104 70 0.92 2.5 0.1-1 no
GRO J1655-40 > 70 0.9 2.5 1 no
GRS 1758-258 ? 0.1-1 no
XTE J1550-564 60-70 > 0.8 1.5 0.1-1 no
Sco X-1 > 70 > 0.8 > 1.6 0.1-1 no
LS I 61 303 ? ? ? 10-4 yes
LS 5039 < 80 > 0.2 ? 10-4 yes
Il mistero di Cygnus X-3
getti radio relativistici da Cyg X-3 (Mioduszewski, Rupen, Hjellming, Pooley, Waltman, 2001)
Feb. 6, 1997 Feb. 8 Feb. 11
Plasma diagnostics (and acceleration) around a BH
68
Compton-thick cloud, = T n R ~ 1-10 n ~ (1015 cm-3) R-18
Scoperta di emissione transiente gamma da
Cyg X-3 (Tavani et al., Nature, 462, 620 (2009)
RATAN Obs. (S. Truskhin et al.) Apr. 13 – Apr. 27, 2008
very strong radio
flare, presumably
with jet ejection
strong gamma-ray
flare
X-ray (1-10 keV)
flare
Hard X-ray flux state
change (Super-A
monitoring)
Major gamma-ray flares in special transitional states in
preparation of radio flares ! (Tavani etal. Nature 2009)
figure adapted
from Szostek
Zdziarski &
McCollough
(2008)
sorprese da Cyg X-3
• emissione gamma/accelerazione di particelle
in modo “prevedibile”
• sempre quando la “corona” di plasma
sovrastante è al minimo
• come se il sistema non dissipasse nella
corona, ma accumulasse energia prima della
produzione di getti (anello di accumulazione ?)
• prima volta, importante sia per l‟astrofisica dei
buchi-neri e per i plasmi di laboratorio. 74
The brightest Gamma-ray blazars detected by AGILE
76
La galassia attiva 3C 454.3: il diamante pazzo
lontano da noi 7 miliardi di anni luce...
NRAO Radio Telescope - Kovalev
2009
Swift Satellite - Vercellone
2011
AGILE Satellite - Vercellone 2009
3C 454.3 superflare (16-19 Nov. 2010)
3C 454.3 super-flare in Nov.-Dec. 2010
3C 454.3 superflare (16-19 Nov. 2010)
Rivelazione della sorgente
gamma più intensa mai rivelata:
il buco nero (“Crazy Diamond”)
nella galassia attiva 3C 454.3
z=0.859,
F > 8000 10-8 ph. cm-2 s-1,
Liso= 2x1050 erg s-1,
for = 10, Ljet 1 Earth/sec)
3C 454 Dec. 2009 flare
• Energetica
– dE/dt (potenza cin. getto) = MEarth / 10 sec
– L (gamma) = L (iso) / 2 = 1.2x1047 erg/s
• Spectral components (sync, SSC, EC)
– C-1 (PL, p1 = 2.3, b = 500)
– C-2 (Maxwellian, b = 150)
82
spettro di emissione di 3C 454.3, november 2010 (Vercellone et al.)
RAGGI COSMICI
• ORIGINE ?
• ACCELERAZIONE
• PROPAGAZIONE NELLA GALASSIA
Raggi cosmici adronici (CR)
Energia del “ginocchio”,
E ~ 1015 eV
Sorgenti di raggi cosmici e
accelerazione fino a 1015 eV (PeV)
• Esplosioni e Resti di Supernovae
• Stelle di neutroni „Fast spinning‟
• Getti relativistici (microquasar, AGN)
• Oggetti esotici
Resto di Supernova, Cas A (1680)
ottico (Hubble), raggi X (Chandra), IR (Spitzer)
la domanda fondamentale:
le Supernovae producono i raggi
cosmici ???
V. Ginzburg, Syrovatskii, fine anni „50,
1964
F. Hoyle (1960)
….
L’ipotesi dei resti di Supernovae
• wCR ~ 1 eV cm-3
• dECR/dt ~ V wCR / tesc ~ 3 x 1040 erg s-1
• PSNR,cinetica = 1051 erg / 30 anni = 1042 erg s-1
• dECR/dt ~ 0.03 PSNR,cinetica
89
Acceleratore nuvola di gas
mezzo interstellare
provare l’origine dei raggi cosmici
protonici nei Resti di Supernovae…
• Elettroni– Bremsstrahlung (target density)
– Synchrotron emission (magnetic field)
– Inverse Compton (CMB, interstellar photons)
• Protoni, produzione di pioni (target density)
p + p X + 0
+ (~70+70 MeV)
pp ~ 40 mbarn
~ ( pp n c)-1 ~ (6∙107 yrs) n-1
origine dei raggi cosmici nelle supernovae ?
finora solo indizi indiretti, difficile da provare in
modo diretto
• la Supernova ideale:
– energetica
– vicina alla Terra
– con un “bersaglio” vicino (nube molecolare)
• f = (Wp / tpp)/4 d2 ~ ( n Wp )/ d2
• non facili da trovare
92
Supernovae giovani (raggi-X, Chandra)
93
IC 443 W 28
W 44RX 1713.7- 3946
gamma-ray detected SNRs
94
95
AGILE
gamma radio
(Giuliani, Cardillo et al. 2011)
99
Spectral break,
E ~3 GeV
emissione di pioni,
no Bremsstrahlung
100
emissione “pionica”(Bremsstrahlung marginale)
(Giuliani, Cardillo et al. 2011)
101
Spectral break,
E ~3 GeV
verso la soluzione del problema
dell‟origine dei raggi cosmici
• circa 10 Supernovae studiate da
AGILE e Fermi
• interazione complessa
• AGILE individua la prima evidenza diretta di
emissione di protoni accelerati nel Resto di
Supernova W44
102
Lampi Terrestri
103
•I lampi normali mostrano differenze di potenziale
utili per l‟accelerazione di particelle
V ~ 1-10 MegaVolt
•Lampi Gamma Terrestri (Terrestrial Gamma-Ray
Flashes, TGF) mostrano invece
V > 100-200 MegaVolt
AGILE osservazioni della Terra:
dall‟astrofisica allo studio dei lampi
(accelerazione di particelle in atmosfera)
i Lampi Gamma si
originano a ~ 10-20 km
di altezza
Terrestrial Gamma-Ray Flashes
(RHESSI map up to 20 MeV)
Smith et al., Science, 2005
AGILE: what makes MCAL unique
for TGFs:
• Only instrument in equatorial orbit
– TGF on the equator
– low-background
• Only instrument with sub-msec trigger
capability
• Instrument with the best capability at
E > 30-40 MeV
AGILE Terrestrial Flashes lightcurvesThe bright events
visibilità di AGILE
Africa South East Asia
111
spettro dei Lampi Gamma di AGILE110 TGFs 1806 fotoni 142 E> 10 MeV 26 E > 20 MeV
Tavani et al., Phys. Rev. Letters 106, 018501 (2011)
modello RREA legge
di potenza + cutoff
esponenz.
rivelazione di emissione a energie E >40 MeV, non spiegate dai modelli attuali di accelerazione RREA.
componente
aggiuntiva di alta
energia, = -2.7
• Modelli standard RREA di
accelerazione prevedono E-max di
10-20 MeV, da rivedere.
• differenze di potenziale di almeno 100-
200 MegaVolt.
• implica accelerazione non a piccoli
“passi” ma su distanze di 1-2 km.
112
• la componente di alta energia E > 20
MeV può avere effetti importanti
sull‟atmosfera e ambiente
• Qual è l‟energia massima ?
(AGILE il solo satellite attuale che può
rispondere)
• Qual è la vera distribuzione geografica
dei super-Lampi Gamma ?
113
Studio degli impatti dei super-lampi
• possibile impatto sul clima locale,
sulla chimica atmosf. e sull‟ambiente
(300/giorno).
• Indicatori di cambiamenti climatici
• produzione di neutroni, loro effetto.
• Sistema di ALLERTA proposto dal
team AGILE 114
Conclusioni
• dal cosmo alla Terra, AGILE ha mantenuto le promesse
• l‟Italia dimostra di poter competere con missioni spaziali a budget limitato ma alto contenuto tecnologico e scientifico
• una generazione di giovani ricercatori, ingegneri e addetti all‟industria che partecipano a programmi spaziali italiani