GAMMA RAY BURSTS

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Questo lavoro di tesi ha come tema i Gamma Ray Bursts (GRBs), delle esplosioni di raggi gamma che scoppiano nell’universo con una frequenza quasi giornaliera. Nel primo capitolo si cerca di illustrare l’argomento, riassumendo per linee generali lo stato attuale delle conoscenze. In particolare, all’inizio si discute del modo in cui sono stati scoperti ormai quasi quarant’anni fa; il discorso si arricchisce di dettagli osservativi man mano che vengono discussi i risultati ottenuti con la realizzazione dei due principali esperimenti effettuati sui GRBs: inizialmente BATSE ha permesso uno studio statisticamente consistente della fase dell’esplosione vera e propria (generalmente della durata massima di un centinaio di secondi), permettendo, tra l’altro, di dare forti indicazioni circa l’origine cosmologica di questi fenomeni; infine Beppo-SAX ha permesso per la prima volta l’osservazione della sorgente nell’X, rivelando la presenza di una coda nella curva di luce che, seguendo una legge a potenza, si spegne in un orizzonte temporale talvolta di mesi (il cosiddetto afterglow). La discussione prosegue con la descrizione del modello del fireball a shock interni ed esterni: si illustrano i meccanismi che si ritengono alla base dell’emissione gamma osservata a terra e si discute la possibilità che questo avvenga attraverso irraggiamento di sincrotrone (o di auto-inverse-Compton da sincrotrone) degli elettroni non termici accelerati con un meccanismo di Fermi a cavallo degli shock. Questi si dovrebbero formare negli ejecta espulsi a fattori di Lorentz molto grandi (dell’ordine di 100 o addirittura 1000) da una sorgente centrale: il modello a shock esterni prevede la formazione di onde d’urto per l’interazione della shell in espansione con il materiale dell’ambiente circumstellare; quello a shock interni propone un’emissione di shell di ejecta a fattori di Lorentz variabili che dovrebbe portare alla formazione di onde d’urto nel momento in cui le shell più veloci raggiungono e sbattono sulle più lente. Si discute poi dei problemi connessi con le energie enormi che si prevede siano irraggiate dalla sorgente qualora l’emissione di radiazione fosse isotropa (1053-54 erg) e della possibilità di ridurre il problema considerando una collimazione radiativa. Segue la descrizione del modello a fucile da caccia, in cui si propone che l’estrema variabilità di luminosità osservata (sulla scala del millisecondo) sia frutto dell’impatto di ‘proiettili’ (bullets) di ejecta iperrelativistici (di cui finora si è solo postulata l’esistenza) sul materiale circumstellare. Si conclude il capitolo introduttivo con una carrellata sulle caratteristiche che i candidati progenitori delle sorgenti devono avere e si accenna al modello della collapsar. Il secondo capitolo contiene invece la parte originale del lavoro di tesi condotto: l’obiettivo è indicare un modo possibile con cui si potrebbero formare i bullets del modello a fucile da caccia. A questo scopo si studia la propagazione degli shock (newtoniani, prima, e iperrelativistici, poi) in un’atmosfera il cui profilo decresce esponenzialmente. Dalla letteratura si sa che in entrambi i regimi questi shock tendono ad accelerare violentemente (nel caso iperrelativistico la crescità non riguarda, ovviamente, la velocità, ma il fattore di Lorentz associato). E’ già noto che questi shock manifestano instabilità corrugazionale in regime newtoniano; non era stata ancora condotta, per&ograve, un’analisi delle instabilità corrugazionali di tali shock in regime iperrelativistico. Quello che si descrive è la procedura utilizzata per studiare in regime lineare queste perturbazioni. Attraverso l’integrazione numerica delle equazioni differenziali ottenute con le opportune condizioni al contorno, si ricava che le quantità idrodinamiche del materiale shockato tendono ad uscire rapidamente dal regime di linearità a causa di un’amplificazione molto veloce delle perturbazioni. Da questo si trae spunto per discutere brevemente quali possono essere le implicazioni di tale instabilità nella creazione dei proiettili di materia espulsa dal motore interno di un GRB.