Astrofisica multimessenger delle Alte Energie

Astrofisica multimessenger delle Alte Energie

Staff

Denis Bastieri​, Elisa Bernardini, ​Eugenio Bottacini​, Giovanni Busetto, Stefano Ciroi​, ​Alessandro De Angelis​, Michele Doro, Alberto Franceschini​, Mose’ Mariotti​, Piero Rafanelli, ​Riccardo Rando, ​Luca Zampieri (INAF OAPD)

Borsisti

Marco Berton, ​Aleksandr Burtovoi, ​Valentina Cracco, ​Giovanni La Mura​, Ruben Lopez-Coto, Manuela Mallamaci, Simona Paiano​, Elisa Prandini​

Dottorandi

​Sina Chen, Enrico Congiu, ​Michele Fiori, Luca Foffano

Attività di ricerca

​Le nostre attività di ricerca sono rivolte allo studio dei meccanismi all’origine dei fenomeni maggiormente energetici che popolano l’Universo e che sono alla base dell’emissione di particelle ultra-relativistiche (i raggi cosmici). Tale emissione e’ essenzialmente riconducibile a onde di shock attorno ad oggetti compatti sia di natura galattica (pulsar, micro-quasar, resti di supernova) che in oggetti extragalattici (nuclei galattici attivi).​
Allo scopo di indagare le sorgenti di questa radiazione energetica, abbiamo partecipato fin dalle fasi iniziali in diversi esperimenti internazionali nel campo della gamma astronomia quali il satellite Fermi e il telescopio MAGIC, che tuttora stanno producendo risultati scientifici di ottimo livello. Siamo inoltre impegnati nello studio di cataloghi di raggi X volto a scoprire nuove potenziali sorgenti e nelle osservazioni ottiche di varie sorgenti extragalattiche, principalmente finalizzate a determinarne la distanza.
Il nostro lavoro ha una forte componente di collaborazione internazionale.
Per quanto riguarda la strumentazione futura, stiamo partecipando alla costruzione del futuro Cherenkov Telescope Array e siamo impegnati nel design di un nuovo satellite volto ad esplorare le energie del MeV, denominato e-Astrogam.​

Le linee di ricerca specifiche sono:​


Tecnologica

Il nostro gruppo partecipa allo sviluppo di rivelatori di ultima generazione per l'osservazione di sorgenti astrofisiche.
Per l'osservazione da terra sono necessari rivelatori di luce (visibile e vicino-UV) sensibili al singolo fotone. Nei nostri laboratori sviluppiamo e testiamo rivelatori basati principalmente su fotomoltiplicatori al silicio. Seguendo un approccio a 360 gradi progettiamo e testiamo anche le guide di luce e gli specchi, nonché l'elettronica di lettura connessa.
I rivelatori sono poi installati nei principali osservatori esistenti (e.g. in MAGIC, il telescopio Cherenkov alle isole Canarie) per essere testati in condizioni realistiche.
I rivelatori utilizzati per l'osservazione dei raggi gamma dallo spazio ricordano quelli sviluppati per la fisica delle alte energie: tracciatori in silicio, calorimetri, ecc. Abbiamo partecipato al disegno, all'assemblaggio e alla qualifica di strumenti esistenti (e.g. Fermi-LAT) e siamo in prima linea nel definire le attuali proposte per le missioni di nuova generazione (e-Astrogam, AMEGO).
L'attività strumentale ha un lato “software”, con la progettazione dei nuovi rivelatori e la loro caratterizzazione tramite simulazioni, e un lato “hardware”, in cui testiamo prototipi di sensori, di elettroniche di lettura e di sistemi di acquisizione dati.

Contatto: Mosè Mariotti, Riccardo Rando, Manuela Mallamaci


​​Buchi neri e getti relativistici in nuclei galattici attivi

​Recenti osservazioni astronomiche sembrano sempre piu' confermare l'idea che numerose galassie ospitino al loro centro un buco nero supermassiccio di massa miliardi di volte la massa del nostro Sole. Queste galassie, denominate galassie attive (AGN - active galactic nuclei), mostrano uno spettro di emissione e assorbimento molto complesso, generato dalla sovrapposizione dell'emissione di origine non-termica di diverse componenti quali il disco di accrescimento e le nubi orbitanti sia nelle vicinanze del buco nero che lontano da esso, in aggiunta alla componente termica. Circa il 10% delle galassie attive mostra inoltre la presenza di un getto di particelle relativistiche altamente collimato che si estende per migliaia di kpc. A seconda che le si veda di taglio o di fronte rispetto al getto, queste galassie sono denominate radio-galassie o blazar.
Scopo nostro gruppo di ricerca e' quello di caratterizzare le condizioni fisiche presenti nel getto degli AGN tramite lo studio dell'emissione elettromagnetica di questi oggetti, in particolare di quelli che raggiungono le energie piu' estreme. 

​Contatto: Elisa Prandini, Elisa Bernardini


Meccanismi radiativi in oggetti galattici​

All’interno della nostra galassia, vi sono numerosi sistemi formati da un oggetto cosiddetto compatto, ovvero una stella di neutroni, o un buco nero, e da una stella compagna che viene lentamente e inesorabilmente risucchiata. Questi due oggetti ruotano attorno al centro di massa in orbite ellittiche e in alcune situazioni il flusso di materia accende due “getti” di radiazione e materia relativistica, secondo un meccanismo non ancora noto, ma ampiamente studiato.  La natura di questi getti e’ simile, ma in miniatura, rispetto ai getti di nuclei di galassie attive, e per questo, i getti galattici relativistici sono di grande interesse. La radiazione gamma – che e’ immagine dei fenomeni di piu alta energia all’interno del sistema binario – e’ un ottimo canale di investigazione di questi fenomeni.

Contatti: ​Luca Zampieri, Ruben Lopez-Coto, Aleksandr Burtovoi


Fisica fondamentale​

Esistono svariati argomenti di fisica fondamentale che possono essere sondati attraverso l’osservazione di luce gamma proveniente da oggetti cosmici. La ragione e’ legata alla alte energie in gioco, non raggiungibili sulla terra, alle lunghe distanze cosmiche, che possono amplificare fenomeni, e alla presenza o meno nel cosmo di alcuni rari oggetti esotici che possono interagire con la atmosfera terrestre. L’argomento principale e’ certamente lo studio della materia oscura: la maggior parte dei modelli prevede infatti che la materia oscura possa annichilire o decadere emettendo luce tra i prodotti finali alle energie della radiazione gamma. Tuttavia, la possibile dipendenza della velocita della luce dalla energia (Violazione della Invarianza di Lorentz) si puo’ osservare con radiazione gamma a partire da ritardi tra fotoni emessi allo stesso tempo da un luogo. Alcune teorie predicono che i fotoni possano oscillare in particelle tipo assioni, e questo puo’ succedere in alcuni ambienti cosmici. La lista non finisce qui e include buchi neri primordiali, monopoli magnetici, agglomerati di quark, etc.

Contatti: Michele Doro, Alessandro de Angelis​


Survey a alte energie

Le survey del cielo generano i dati di base per l’astronomia. Esse sono usate per mappare sistematicamente l’universo ed i suoi costituenti e per scoprire nuovi oggetti celesti e nuovi fenomeni. Specialmente le survey ad alte energie sopra i 15 keV, rivelano la radiazione non termica che a sua volta permette uno sguardo nel profondo dei meccanismi d’emissione nelle sorgente rivelate. Nonostante ciò, la rivelazione di nuove sorgente e’ ancora difficile, fatto dovuto alle limitazione delle attuali missioni. Per superare queste limitazione, traiamo dei vantaggi dell’uso combinato della missione INTEGRAL (ESA) e della missione Swift (NASA) per trovare nuove sorgenti extragalattiche e sorgenti galattiche. Usiamo tali sorgenti per studiare l’evoluzione cosmologica dei nuclei galattici attivi, la formazione di buchi neri supermassici nell’universo primordiale, e per scoprire fenomeni nuovi.

Contatti: Eugenio Bottacini


Studio multifrequenza di nuclei galattici attivi

​​I nuclei galattici attivi (AGN) sono fra le poche sorgenti cosmiche in grado di emettere fotoni a tutte le frequenze, dalle onde radio fino ai raggi gamma, e sono gli oggetti non-transienti più luminosi dell'Universo, tanto brillanti da essere visibili fino a distanze molto grandi. L'origine di questa immensa luminosità è principalmente un disco di materia che accresce su un buco nero supermassiccio. Convertendo l'energia gravitazionale della materia accresciuta in luminosità, viene emessa la grande quantità di radiazioni che possiamo osservare. Sebbene questi oggetti possano apparire molto diversi fra loro, ed essere classificati in diverse categorie (galassie di Seyfert, quasar, radiogalassie, blazar), grazie ai modelli di unificazione oggi sappiamo che queste sorgenti sono riconducibili tutte allo stesso tipo di oggetto e alla presenza o meno di un getto di plasma accelerato a velocità relativistiche dal campo magnetico in prossimità del buco nero. Nonostante negli anni molto sia stato appreso su questi oggetti e sui fenomeni fisici estremi che li caratterizzano, molti aspetti restano ancora poco compresi. L'origine e la dinamica del gas ionizzato che si osserva a grandi distanze dal buco nero in molti AGN, ad esempio, sono ancora incerte. Allo stesso modo, come gli AGN evolvano nel tempo, come i getti di materia si originino in prossimità del buco nero, quali fenomeni fisici siano in atto a queste alte energie, e come l'AGN interagisca con la galassia che lo ospita, sono tutti punti ancora da chiarire. Il nostro gruppo di ricerca si occupa di tutti questi aspetti, principalmente per mezzo della spettroscopia ottica, ma anche osservando i nuclei galattici attivi ad altre frequenze come radio, raggi X e raggi gamma. Oltre all'acquisizione di nuovi dati con numerosi telescopi, tra cui quelli degli osservatori di Asiago, ci occupiamo dell'analisi dei grandi archivi di dati presenti sul web, come quelli della Sloan Digital Sky Survey o della 6 Degree Field Survey, che permettono di reperire innumerevoli informazioni su questo tipo di oggetti.​

​Contatto: Stefano Ciroi


Cosmologia osservativa

L’Astrofisica delle Alte Energie ha profondi legami con la Cosmologia. Un interesse particolare riveste il fenomeno dell’interazione fotone-fotone, tra quelli di alta energia prodotti dalle sorgenti cosmiche e i fondi di radiazione extragalattica e cosmologica (Cosmic Microwave Background CMB, l’EBL), con la conseguente produzione di coppie elettrone positrone. Questo fenomeno causa un caratteristico effetto di opacita’ cosmica per i fotoni di alta energia, con una sezione d’urto massima ove il prodotto delle energie dei fotoni interagenti equivalga al quadrato della massa-energia di un elettrone, 511 KeV, ovvero secondo la regola lambda[micron] = energia[TeV] . Dunque fotoni di oltre 100 TeV sono osservabili solo dall’interno della Galassia, fotoni di 10-50 TeV interagiscono con il fondo nel lontano IR, quelli attorno al TeV con il fondo nell’ottico-UV. Dunque le osservazioni spettrali di Blazar, in particolare, a diversi redshift e l’identificazione dell’assorbimento nello spettro forniscono uno strumento di straordinario interesse per vincolare l’intensita’ e l’energia delle radiazioni di fondo alle varie epoche cosmiche. Tali radiazioni, che rappresentano il record integrato di tutti i processi di produzione di energia da sorgenti cosmiche tra ora e il Big Bang, non sono quasi mai osservabili direttamente in quanto soverchiate dai fondi locali (luce Zodiacale, emissione di polveri interplanetarie, emissioni della Galassia), pertanto l’osservazione indiretta tramite l’effetto fotone-fotone risulta cruciale.
Una di queste componenti radiative di particolare interesse riguarda le sorgenti responsabili per la re-ionizzazione cosmica a z=10 con fondo residuo nel vicino IR, per il quali l’osservazione al TeV di Blazar a z>1 fornira’ a breve interessanti vincoli, se non misure. Oltre a cio’, lo studio di campioni Blazar su un ampio intervallo di redshift permettera’ di porre vincoli decisivi sulla storia evolutiva delle principali sorgenti cosmiche, galassie lontane e Nuclei Galattici Attivi (AGN), dominati rispettivamente da produzione d’energia per bruciamento termonucleare in stelle e per accrescimento gravitazionale negli AGN. Altro tema di interesse per il sottogruppo saranno gli studi statistici di popolazioni di sorgenti ad alte e altissime energie, ad esempio basato sui cataloghi all-sky di Fermi, delle quali una frazione tuttora rilevantissima (>30%) non sono identificate. Infine altri temi riguardano il fondo diffuso in raggi Gamma, e l’origine del fondo di neutrini di alta energia osservato da Ice Cube.

Contatti: Alberto Franceschini, Giulia Rodighiero, Simona Paiano


Calcolo parallelo (htc) e a basso consumo (lpc)

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