RICERCA ITALIANA     

La fisica dei GRB, SN e molto di più: la situazione attuale ed il futuro. Analisi dati, simulazioni e progetto concettuale di un telescopio robotico di medie dimensioni. [CODEVISIR] La sfida principale non è formulare nuove idee, ma sfuggire da quelle vecchie che ramificano nella nostra mente. La proposta vuole produrre un'avanzamento sostanziale nella conoscenza della fisica dei GRB, dei progenitori e del loro ambiente, sulla relazione con le SN, oggetti ad alto z, ed il ruolo delle polveri.

Università degli Studi di Milano-Bicocca

Abstract

La proposta in oggetto si inquadra in un disegno più ampio di sviluppo della tecnologia e della scienza in Italia. Questo progetto PRIN preparerà, con la guida di ricercatori esperti, studenti, giovani scienziati e piccole industrie alla competizione europea ad alto livello in preparazione delle proposte che saranno sottomesse all’European Research Council e a altre agenzie di finanziamento europee e italiane. E’ basato su un’attività rapida, che è il motivo per cui il team è piuttosto grande e ben strutturato nelle varie competenze richieste, in modo da essere pronti in un tempo breve al passo successivo, cioè il disegno del telescopio e della strumentazione.

Lo studio delle componenti hardware che proponiamo [unità 2], assieme alla continuazione della nostra ricerca sui Gamma Ray Burst e sulle SNe [unità 1], tiene conto delle missioni spaziali già in orbita [Swift e AGILE] e che sono pronte a volare in un prossimo futuro [GLAST]. Tra le missioni proposte alla NASA SMEX-MIDEX, alcune diventeranno probabilmente fondamentali per la nostra conoscenza degli eventi transienti, SNe e GRB, e il telescopio qui proposto sarà per queste un completamento fondamentale e naturale.

L'hardware sarà pronto per andare molto oltre i risultati attesi per la scienza primaria. Sarà possibile, come opportunità di scienza secondaria, la risposta a ogni allerta ToO ricevuta dalle missioni spaziali a alta energia e la raccolta di un archivio unico nel NIR-IR che completerà l'attività degli array sub-millimetrici come ALMA, ecc. Sarà inoltre fondamentale per la ricerca e lo studio statistico della polvere e la rilevazione dei GRB deboli a alto z.

Vogliamo sottolineare quanto questo progetto formerà anche nuove idee sulla scienza e sulla tecnologia rilevante all'osservazione delle sorgenti di onde gravitazionali (GW) dovuta al collasso di stelle massicce (per discutere un esempio rilevante) con supernove (SNe).

Una estrapolazione ragionevole della soglia di sensitività degli attuali rilevatori di GW (p.e. VIRGO, Ligo, Tama, ecc.) mostra come sarà possibile al momento in cui questo telescopio sarà operante (~2013) rilevare (anche se con un basso livello di S/N) il segnale di GW emesso durante il collasso di stelle massicce, fino alla distanza del ammasso di Vergine. Data una media di 2 SNe di core-collapse all'anno (come si ricava dalle campagne ottiche), la probabilità che i rilevatori di GW rivelino, in 3-4 anni, un certo numero di sorgenti caratterizzate da un segnale appena sopra il rumore, è molto alta. D'altra parte solo un monitoraggio continuo (multi frequenza) dell'ammasso della Vergine (con uno schema a mosaico) può rilevare la presenza di una possibile SN che cresca fino alla massima intensità. Il confronto tra i differenti tempi di osservazione (GW vs. monitoraggio a multi-frequenza) permetterà di stabilire, in 3-4 anni, un numero statisticamente significativo di associazioni GW/SNe.
La formazione di una SN può anticipare anche il GRB (nei casi in cui GRB e SN sono associati) di circa un'ora [Margutti et al. 2007] e l'evento di GW potrebbe avvenire prima. Non possiamo escludere che il segnale di GW possa venire emesso mentre osserviamo il progenitore del GRB nella radiazione gamma. In ogni caso, indipendentemente dall'associazione con il GRB, è molto probabile che il primo segnale osservabile di GW dal collasso di stelle massicce provenga dall'ammasso di galassie della Vergine. Infine, si potrà anche rispondere all'allerta dovuta alla rilevazione di neutrini e partecipare attivamente a campagne a livello mondiale.


Il proposal è esattamente nello spirito del PRIN e del progresso scientifico: la formazione di un team a livello nazionale che, in collaborazione con alcune università europee, grazie ad una fantastica eredità scientifica, riconosce la necessità di una nuova strumentazione a terra e persegue idee innovative sia tecnologiche che scientifiche per la presentazione di un proposal a livello internazionale.

In breve il progetto di ricerca, come discusso in Unità 1 e Unità 2, sarà [vedi anche sezione 13 e modulo B per l'Unità 1 e 2]:

. Completare il più grande studio statistico sui GRB e sui brillamenti usando i nuovi archivi che stiamo completando.

. Raffinare i criteri ToO per AGN e XRB in base allo stato dell'arte della scienza e delle risorse.

. Considerare ricerche secondarie innovative per le quali stimiamo di potere assegnare il 50% del tempo del telescopio. In particolare, provvederemo i dettagli della scienza e della strategia osservativa per le sorgenti di GW.

. Effettuare lo studio concettuale e di fattibilità del telescopio e della strumentazione del piano focale

. Decidere la migliore strategia per il posizionamento della strumentazione.

. Definire i tre strumenti e indicare la migliore soluzione tecnica richiesta.

. Sviluppare l'architettura software

. Definire il team e le organizzazioni collegate, la gestione e la scala decisionale <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Guido Chincarini Università degli Studi di MILANO-BICOCCA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Si ritiene di completare il progetto PRIN in un anno. Questo è il tempo richiesto in generale per uno studio di fattibilità accurato e per il disegno concettuale. Il progetto di un anno, come riportato anche da altre parti, è dovuto a due forti necessità:

A) ci prepariamo a presentare richiesta di fondi per il disegno dettagliato [fase A] e la costruzione all'agenzia europea (come il Research Council) e italiana

B) il tempo riveste un ruolo importante in vista delle future missioni spaziali [pronte a volare o che sono state proposte] e degli altri strumenti internazionali a terra progettati o in fase di costruzione [ALMA, OWL, ecc.].

Questo progetto intende raggiungere i seguenti goal:

1) Completare l'analisi dati e il connesso studio teorico e di simulazione dell'insieme dei GRB di Swift che è importante in particolare per la stesura delle specifiche e la giustificazione del telescopio, della strumentazione e del software per la strategia di controllo. La riduzione dei dati XRT e BAT a livello 1 e livello 2 [gli archivi sono pronti per essere utilizzati dagli scienziati] è stata completata].

2) Raffinare le conoscenze su AGN, binarie X, SNe, ToO e scienza secondaria rilevante per migliorare il disegno concettuale e lo studio di fattibilità del telescopio, del software e della strumentazione.

3) Le basi concettuali del telescopio che intendiamo costruire richiedono un telescopio robotico rapido di grandezza media con una strumentazione sensibile alle lunghezze d'onda ottiche, NIR e IR. La parte tecnica di questo studio di fattibilità verterà in particolare sull'ottimizzazione della messa a punto degli strumenti nel piano focale del telescopio anche il relazione alle necessita' di criogenia e di un basso rumore termico.

4) Formulare, come risultato di questo studio, l'albero di gestione con responsabilità e doveri, includendo il ruolo delle industrie.

5) Giustificare l'apertura del telescopio, la selezione della distribuzione degli strumenti nei vari piani focali. I limiti dettati dalla risposta rapida e dalle caratteristiche robotiche, l'architettura del software (telescopio, strumenti, quick look e analisi dati)

6) Una stima preliminare dei costi e del profilo temporale

7) Una piena giustificazione per il finanziamento del progetto e per una presentazione tempestiva del proposal. La sua relazione alla scienza e agli strumenti che sono stati, e saranno, progettati.

Questi sono i goals raggiungibili con un’attività di 12 mesi (preparazione dello studio di fase A – cioè un dettagliato progetto tecnico – e la proposta). Inoltre verranno pubblicati lavori sia scientifici che tecnici (ApJ, A&amp;A, SPIE, ecc.). <<<

Risultati parziali attesi

Il prodotto della ricerca proposta risulterà di fondamentale interesse per la comunità scientifica internazionale. Ciò condurrà alla definizione di specifiche di riferimento per ogni strumento progettato con capacità di puntamento rapido e metterà a fuoco le problematiche in vista di sviluppi futuri. Per quanto riguarda i GRBs, si concentrerà sulla fisica dell’afterglow in relazione al motore centrale e alle SNe correlate. Definirà idee pionieristiche su come portare avanti la ricerca di sorgenti di onde gravitazionali associate al collasso di stelle massive e all’esplosione di SNe (entro l’ammasso della Vergine). Il progetto proposto ha grandi potenzialità per l’industria italiana ed europea: sviluppo tecnologico e trasferimento di know-how nel campo della robotica, della meccanica di precisione, della criogenia, della realizzazione di software complessi, del controllo della strumentazione e dell’ingegnerizzazione del sistema. Questo è il primo passo, nel vero spirito delle proposte PRIN, verso una ricerca pionieristica in grado di aprire un nuovo futuro per la nostra conoscenza.

Scienza

L’Unità 1 ha fornito un sommario della scienza da condurre nel corso del prossimo anno nell’ambito di questa ricerca. Durante questo periodo, completeremo, anche in vista di una migliore definizione delle specifiche dello strumento per lo studio di fattibilità descritto in dettaglio dall’Unità 2, l’analisi dei dati del più grande campione di GRB disponibile oggi. Dal momento che stiamo completando la riduzione dei dati e siamo pronti all’analisi ed interpretazione degli stessi, la tempistica di questo PRIN è ottimale. L’analisi dei dati sarà arricchita da simulazioni per raggiungere al meglio gli scopi di questa proposta. In questo modo studieremo le conseguenze e le previsioni di modelli differenti a frequenze ottiche e IR. In particolare faremo un’analisi dettagliata, supportata da simulazioni, dell’attività di flare. Raddoppieremo abbondantemente il campione di Chincarini et al. (Novembre 2007, ApJ, primo numero) e Falcone et al. (Novembre 2007, ApJ, primo numero) e otterremo una derivazione più accurata dell’indice spettrale e delle variazione dell’hardness ratio.
Nella maggior parte dei casi abbiamo ridotto tutte le curve di luce in 4 bande XRT (ciò dipende ovviamente dal numero di fotoni a disposizione) e quando possibile, per i GRB più brillanti, abbiamo ricavato le variazioni temporali dell’indice spettrale (campione da novembre 2004 ad agosto 2007) in un modo estremamente omogeneo. Avremo a nostra disposizione gli archivi da rianalizzare con cura per rivisitare l’intero campione statistico di GRB. Inoltre useremo le osservazioni ottiche a disposizione (Kahn et al. in preparazione) per comprendere meglio la strategia osservativa da applicare nel caso di GRB brevi, galassie ospiti, GRB oscurati e assorbiti e ad alto z. Si fa riferimento alle problematiche scientifiche elencate nelle sezioni 11 e 13 della proposta dell’Unità 1.

Il prodotto scientifico sarà:
a) un’analisi completa del campione statistico, l’analisi del campione di GRB nel sistema di riferimento della sorgente, la statistica dei flare e un’insieme ben preciso di problematiche da affrontare con il telescopio oggetto della proposta e con la strumentazione associata,
b) le specifiche della strumentazione, del telescopio, dei requisiti di robotizzazione e puntamento dopo aver vagliato lo stato dell’arte della ricerca sugli AGN e sulle XRB,
c) la migliore strategia per rivelare le sorgenti di onde gravitazionali, assumendo che siano situate antro l’ammasso della Vergine

Telescopio e strumentazione:

L’Unità 2 di questa proposta ha delineato nelle sezioni 11 e 13 lo schema concettuale del telescopio e le linee guida per la strumentazione. Lo scopo è lo studio di fattibilità in accordo con le specifiche dettate dagli scopi scientifici. I punti critici sono:
a) il campionamento, cioè se siano fattibili osservazioni simultanee o sia preferibile una sequenza con alternaza temporale fra strumenti differenti a diverse lunghezze d’onda (questa soluzione sembra preferibile alla luce di alcune stime preliminari);
b) la criogenia e cioè capire se sia redditizio raffreddare simultaneamente tutti gli strumenti, dal momento che appare preferibile evitare di raffreddare grandi volumi. Allo stesso modo prevediamo di studiare le implicazioni che uno strumento al fuoco primario ha sul rumore termico;
c) la distribuzione delle masse del sistema telescopio – strumentazione, l’apertura e la lunghezza focale del telescopio e la rapidità di puntamento con stabilizzazione rapida dell’inseguimento;
d) una stima preliminare dei costi e del profilo temporale della costruzione ed installazione.

Il prodotto del progetto sarà la risposta a queste e ad altre questioni, in altre parole lo studio di fattibilità.

Lo studio è fondamentale per la nostra conoscenza nell’ambito di ricerca in cui si pone, dal momento che è il primo passo verso un nuovo tipo di strumentazione in grado di spingere avanti la comprensione della dinamica dell’universo ad alte energie. Tuttavia i benefici di questo studio ricadranno su tutta la comunità astronomica. Questo è uno studio propedeutico, ci darà cioè la possibilità di partecipare a dei bandi per la progettazione (di fase A) e costruzione del telescopio e della strumentazione proposti. Di conseguenza questo può portare ad una proposta altamente competitiva e più estesa, da indirizzare ad agenzie di finanziamento nazionali ed europee. Questa proposta futura sarà preparata in collaborazione con industrie italiane ed europee. Diverse industrie, spesso piccole, avranno un ruolo primario in questa impresa e come conseguenza svilupperanno ed acquisiranno know-how in robotica, meccanica di precisione, criogenia, sviluppo di software complesso e di ingegnerizzazione del sistema. Rafforzeremo la sinergia ricerca-industria. Questo è un passo fondamentale verso potenziali applicazioni. <<<

Durata

12 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Questo è un progetto ambizioso, che copre molti interessi scientifici e, come descritto nel modulo B, è stata la naturale conseguenza della spinta scientifica primaria: lo studio dei Gamma-Ray Burst (GRB). Parte del team, vedi in particolare Unità 1, è impegnata in maniera profonda nelle ricerche in questo campo e abbiamo realizzato che, assieme ai dati che possiamo ottenere con Swift, un passo avanti sostanziale nel campo si può ottenere con un nuovo telescopio robotico di grandezza media nel visibile-infrarosso (VIS-IR) assieme a altri strumenti spaziali e terrestri in via di progettazione e disegno.

L'avanzamento più importante nella ricerca sui GRB è senza dubbio dovuto al lancio del satellite Swift [1] [Chincarini è membro del Comitato Esecutivo della Missione e PI del gruppo italiano che partecipa alla missione]. Le scoperte permesse da Swift sono chiaramente il riferimento per il background scientifico di questo proposal. è quindi importante riassumere brevemente alcuni dei contributi più rilevanti della missione per quanto riguarda i GRB.

La capacita' di Swift di puntare velocemente i GRB ha permesso di studiare in dettaglio le prime fasi dell'afterglow permettendo spesso di sovrapporre le osservazioni di BAT con quelle di XRT [e in alcuni casi di KONUS-WIND] così che abbiamo una copertura completa dello stesso evento a molte energie e misure simultanee con BAT e una migliore conoscenza dell'evoluzione del fenomeno con XRT.

Si conoscono due tipi di Gamma-Ray Burst, i lunghi e i corti con distribuzioni che piccano rispettivamente a circa 1 secondo e 100 secondi [2]. I principali risultati - come dimostrato dai molti articoli pubblicati dalla rivista Nature – hanno seguito una sequenza temporale:

a) il rilevamento e l'analisi dettagliata dell'evento nei raggi gamma più brillante di sempre (SGR 1806-20);

b) il ripido decadimento iniziale che messo in questione l'interpretazione teorica data l'apparente violazione dell'effetto di curvatura. Abbiamo dimostrato chiaramente che la curva di luce della emissione prompt (15-200 keV) continua [non c'è alcuna discontinuità] nell'emissione di afterglow rilevata dallo strumento XRT (0.3-10 keV) [3],[4] e che in circa il 50% dei casi si ha la presenza di brillamenti [5]. Nonostante queste nuove scoperte, il disegno generale sembra ancora potere essere descritto dal modello di shock interno-esterno. In generale, le caratteristiche osservate possono essere spiegate all'interno del modello di fireball [6],[7] come dovute alle collisioni di shell ultra-relativistiche seguite dalla conversione dell'energia cinetica in energia interna con, alle volte, dei contributi aggiuntivi di fenomeni trascurati nei modelli originari più semplici. Non capiamo ancora in maniera chiara la variazione temporale dei parametri della micro-fisica, una probabile complessità della struttura energetica dell'outflow, ecc. Considerando l'evoluzione spettrale della fase di prompt, lo spettro di sincrotrone è riprodotto bene in generale da un modello di Band e è in accordo con quanto trovato.

D'altra parte, Panaitescu and Kumar [2006] usando GRB990123 hanno ipotizzato una emissione di sincrotrone ottica dovuta a grandi angoli di vista e all'emissione nei raggi gamma dovuto allo scattering di Compton inverso (il “modello di sincrotrone self-Compton). Un'incertezza ancora maggiore su deve all'assenza del flash di shock inverso e all'evidenza diretta di un carico barionico, che induce a considerare anche il modello Lyutikov-Blandford (2003). La nostra analisi statistica completa permetterà di chiarire le osservazioni ottiche-NIR che devono essere effettuate appena dopo l'allerta e durante l'emissione di prompt.

c) la scoperta delle galassie ospiti dei GRB corti che indicano la possibile associazione di questi oggetti con il merger di binarie di oggetti degenerati [NS-NS o NH-BH] e la conferma del modello 'collapsar' per i lunghi [8], che prevede questi GRB come dovuti alla fase evolutiva finale di stelle massicce (~20-30 masse solari) verso un BH e un disco di accrescimento. I GRB corti risultano ancora un mistero sia per quanto riguarda la forma della curva di luce a alte energie che per lo spettro ottico, dato che non si è ancora riusciti a ottenere uno spettro ottico dell'evento immediatamente dopo il suo accadimento. Recentemente l'analisi di Salvaterra et al. [9] ha mostrato che potrebbe esistere una distribuzione bimodale dei GRB corti con alcuni che avvengono negli ammassi globulari e altri nel mezzo galattico delle galassie esterne.

ci) d) la conferma con una ragionevole evidenza osservativa della connessione GBR e l'evento di SN. Questi eventi sono ora piuttosto numerosi ma permetteteci di menzionare tra i più significativi GRB031203, GRB050525A e infine GRB060218 dove si è anche osservato lo shock di break-out atteso dalla teoria [vedi Arnett e SN 1987A].


Quattro nuove scoperte hanno portato alla luce della comunità astronomica, e in particolare del nostro gruppo, nuovi interrogativi che ci proiettano nel futuro:

1) la scoperta di un GRB a z=6.29 [10], quando l'Universo era molto giovane e vicino all'epoca della re-ionizzazione;
2) l'osservazione del shock breakout dell'evento di SN che ci ha permesso di misurare l'evoluzione della temperatura e del raggio della shell che emette la radiazione di corpo nero [11];
3) la scoperta di un GRB lungo vicino per il quale non é stato possibile osservare la SN, cosa questa che ha messo in crisi le fondamenta della divisione morfologica e dei modelli [12];
4) la scoperta e l'osservazione nel vicino infrarosso di due GRB per i quali abbiamo potuto seguire la curva di luce e stimare direttamente il fattore di Lorenz del getto ultra-relativistico [13]. Questi risultati sono stati ottenuti con il telescopio REM [14] costruito grazie a un PRIN (COFIN) sotto la mia supervisione e collocato nel territorio dell'ESO al “cerro La Silla” , Cile. Questo è il primo strumento italiano che lavora per ESO nell'emisfero sud.

I risultati ottenuti e la sequenza delle scoperte sono stati eccezionali. D'altra parte, a causa dell'alta frequenza degli eventi e delle scoperte, c'è stato poco tempo per una comprensione profonda di quello che stava succedendo e per pianificare esperimenti per il futuro. Riteniamo che sia arrivato il momento per un studio dettagliato e profondo dei GRB e che, visti i risultati finora ottenuti e il lavoro statistico iniziato con studenti e collaboratori, il prossimo passo avanti necessario per la comprensione del motore centrale e della fisica dei GRB si otterrà grazie a nuove missioni e a strumenti robotici a terra dedicati.

Con questa proposta ci prefiggiamo quindi di completare l'analisi di tutti i burst osservati fino a Agosto 2007 e di sviluppare lo studio concettuale di un telescopio robotico dedicato di media grandezza sensibile dalle lunghezze d'onda ottiche fino al vicino e medio infrarosso [CODEVISIR].

La filosofia dietro a questo progetto è basata sulle esperienze passate in modo da andare verso una efficienza maggiore nella strategia osservativa. Ci sono in principio due vie possibili: maggiori area di raccolta o un uso migliore e più rapido del tempo del telescopio. La tecnologia per avere specchi più grandi deve includere l'uso di ottiche attive e adattive per avere un vantaggio pieno della loro grandezza, e, anche se è vero che la tecnologia adattava sta crescendo velocemente, non includeremo questo tipo di dispositivo troppo complesso in modo da lasciare il telescopio leggero ed agile.

Si otterrà quindi una maggiore efficienza grazie alla ottimizzazione dei momenti di inerzia e alla robotizzazione dell'osservatorio, mentre per ridurre il peso considereremo l'uso di ottiche leggere in Carburo di Silicio. Queste sono state studiate dal nostro gruppo [Chincarini-Citterio] nella preparazione della studio di fase A della missione WAXS-WFXT.

Esistono al momento un certo numero di telescopi robotici nel mondo e l'esperienza del nostro gruppo in questo campo è confermata dal disegno, costruzione e gestione del osservatorio REM sul quale è basata la nostra esperienza. REM è un telescopio robotico di 60 cm situato sulle Ande Cilene. Il suo obiettivo originario e principale è di seguire rapidamente oggetti transienti (principalmente i GRB) appena dopo essere stati rilevati da un satellite sensibile alle alte energie. REM è stato disegnato per puntare l'oggetto con sufficiente accuratezza in meno di 30 secondi dalla allerta e ottenere immagini nel visuale e nel vicino infrarosso. Il software del telescopio è in grado di monitorare e seguire tutte le fasi dell'osservazione e della schedula [compresa la decisione di aprire la cupola dopo aver controllato le condizioni locali del cielo]. Informazioni circa lo sviluppo tecnico del progetto REM si possono trovare in [14-26]. REM ha inoltre prodotto importanti risultati scientifici [27-37] nel campo dei GRB, Blasar e del monitoraggio degli oggetti variabili.

Oltre a REM esistono molti altri telescopi robotici al mondo dedicati principalmente a monitorare sorgenti variabili e a rilevare i GRB. Questi strumenti possono essere divisi in maniera grossolana in tre classi: piccoli (20-30 cm) telescopi che possano puntare molto rapidamente (5-10 sec) come ROTSE, TAROT [38-39] con semplici rilevatori che in genere non hanno filtri nell'intera banda ottica, telescopi di grandezza media (80-90 cm), con puntamento rapido (30 sec) e con rilevatori più complessi, spesso a diverse lunghezze d'onda (ottico e vicino infrarosso) come REM, e infine telescopi più grandi (2 m), relativamente lenti (2-3 min) e a molti strumenti come quello di Liverpool [40-41] che copre l'ottico e il vicino infrarosso ma non simultaneamente. La grandezza e il peso della struttura del telescopio determinano ovviamente la rapidità del puntamento in relazione all'obiettivo scientifico. Su un piano differente c'è anche il miglioramento del 2.2 metri a ESO con lo strumento GROND. Questo strumento ha la possibilità di osservare simultaneamente a molte lunghezze d'onda (ottico e vicino infrarosso). Comunque, il telescopio necessita di un tempo lungo, circa 15-20 min, prima di poter prendere dati per un nuovo target e non è gestito in maniera robotica.

Tutti questi strumenti hanno dato e tuttora danno importanti contributi scientifici e, almeno quelli più sofisticati hanno aiutato a sviluppare un nuovo approccio nelle osservazioni astronomiche nell'ottico/vicino infrarosso, un tema ora strategico per tutti i nuovi progetti. Comunque, le scoperte nel campo dei GRB fatte da Swift e gli sviluppi più recenti e futuri della scienza e degli strumenti mostrano che questo non è sufficiente.

In particolare, ci servono maggiori aree di raccolta, osservazioni multi banda, capacità di puntamento rapido e operazioni completamente automatiche dalla calibrazione, l'acquisizione dati fino all'analisi finale. <<<