RSN 4 – Astrofisica relativistica e particelle

L’Astrofisica relativistica e delle particelle tratta di ciò che possiamo dire a proposito dell’Universo usando principalmente il linguaggio della teoria della relatività. Questo particolare linguaggio è necessario quando sono verificate alcune condizioni, come velocità prossime a quella della luce (per esempio, nel caso dei getti relativistici) e campi gravitazionali o energie estreme (come, per esempio, in prossimità di oggetti compatti come stelle di neutroni e buchi neri o in fenomeni esplosivi). Le informazioni da elaborare ci arrivano da diversi tipi di messaggeri: fotoni a tutte le lunghezze d’onda, neutrini, raggi cosmici e onde gravitazionali osservati sia da Terra che dallo Spazio. 

Oggetti compatti di massa stellare, quando sono in sistemi binari (binarie X), accrescono materia dalla stella compagna, dando luogo ad un’emissione di raggi X di alta energia. Anche attorno ai buchi neri più grandi, come quelli  supermassicci al centro delle galassie attive (AGN), si può trovare un disco di materia che spiraleggia fino a cadere sull’oggetto compatto, accrescendone la massa. Parte del materiale del disco viene tuttavia espulsa dal sistema sotto forma di venti e di getti di materia (elettroni, nuclei atomici, i cosiddetti raggi cosmici, e neutrini) accelerata a velocità relativistiche. Molte ricercatrici e ricercatori dell’Osservatorio sono impegnati nello studio dei getti prodotti nelle binarie X e negli AGN, della formazione di tali getti nell’Universo primordiale, dei meccanismi di accelerazione delle particelle e dello studio di diverse classi di AGN. In Osservatorio si studia anche l’emissione diffusa in banda X che traccia i barioni (la materia di cui siamo composti) caldi presenti sia nella Via Lattea che nel resto dell’Universo.

Le sorgenti nell’Universo violento sono talvolta transienti, cioè evolvono su scale temporali veloci rispetto a quelle dell’evoluzione stellare. Tra queste, in Osservatorio si studiano alcune classi di binarie X che presentano variazioni grandi (o super-giganti) di luminosità su tempi brevissimi (giorni o ore), e come queste variazioni dipendono dall’accrescimento. Alcuni gruppi di ricerca si occupano dei Gamma-Ray Burst (GRB), le più potenti esplosioni cosmiche conosciute, studiandone l’origine, la struttura e composizione dei getti ultra-relativistici ad essi associati, il loro legame con le sorgenti di onde gravitazionali osservate dagli interferometri LIGO e Virgo, e utilizzandoli come sonde per illuminare l’Universo primordiale.

In Osservatorio viene svolto anche un importante lavoro di supporto al funzionamento e allo sfruttamento scientifico di diverse missioni ed esperimenti fondamentali in questo ambito di ricerca quali REM, SOXS, eROSITA, il Neil Gehrels Swift Observatory, SVOM, MAGIC, ASTRI Mini-array e il Cherenkov Telescope Array (CTA).