Introduzione

Questa Tesi descrive l' attivitá di ricerca finalizzata ad ottenere una descrizione delle funzioni di risposta spettrali e angolari dei rivelatori dell' esperimento Gamma-Ray Burst Monitor (GRBM) a bordo di BeppoSAX, il satellite Italo-Olandese dedicato all' astronomia X, e alla loro applicazione principalmente alla analisi spettrale a larga banda (1.5-700 keV) dei Gamma-Ray Bursts (GRB). L'attivitá di ricerca é stata svolta presso il gruppo di astrofisica delle alte energie dell' Istituto di Astrofisica Spaziale del CNR, Roma, e in collaborazione con l' Istituto TESRE del CNR, Bologna e con l'Universitá di Ferrara, nell' ambito del gruppo BeppoSAX/GRBM. Il testo é scritto in lingua inglese onde facilitarne la eventuale lettura da parte di colleghi stranieri e l' utilizzo di sue parti per la preparazione di pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali.
In questa introduzione vengono riassunti il contesto astrofisico, le motivazioni e le fasi del lavoro.

Gamma-Ray Bursts: la sfida per l'astrofisica delle alte energie

I Gamma-Ray Bursts cosmici (GRB) sono le sorgenti piú misteriose nel campo dell'astrofisica delle alte energie. Si tratta di brevi ed intensi lampi di radiazione gamma provenienti da ogni direzione nel cielo e a tempi non prevedibili. Dalla scoperta, avvenuta nel 1967 e resa pubblica nel 1973, da parte di satelliti militari USA, molti esperimenti dedicati al loro studio hanno volato a bordo di missioni spaziali, aumentando il numero delle rivelazioni (piú di 2500) ma anche la complessitá del caso scientifico.
I GRB sono tipicamente rivelati nei raggi X-duri / gamma-molli (cioé tra circa 20 e 2000 keV), ma sono stati osservati anche fino a pochi keV e a decine di GeV. La loro tipica durata é di qualche decina di secondi, ma possono anche essere bevissimi (pochi millisecondi) o lunghi centinaia di secondi. I GRB sono eventi molto forti, con intensitá di picco che puó superare di un ordine di grandezza quella del fondo particellare ed elettromagnetico, esso stesso molto elevato. La morfologia dei gamma-burst é molto complessa e ne rende difficile la classificazione sulla base della forma della loro curva di luce, che puó essere caratterizzata da un singolo impulso o impulsi multipli passando per un'ampia varietá di forme e tempi scala. Anche le loro proprietá spettrali variano molto da evento ad evento, ma con la generale tendenza dello spettro a diventare piú duro durante le salite degli impulsi e ad ammorbidirsi durante il loro decadimento.
A causa della complessitá della fenomenologia e delle scarse capacitá di localizzazione degli esperimenti nei raggi X-duri e nel gamma, la natura e l'origine dei GRB é rimasta completamente oscura fino all'inizio degli anni '90, senza nessuna possibilitá di potere discriminare tra modelli galattici e modelli cosmologici, con preferenza per i primi a causa della difficoltá dei secondi nello spiegare l'enorme luminositá ($\sim$10⁵¹ erg/s per una distanza corrispondente a redshift 1) richiesta per produrre i flussi osservati. Nemmeno modelli locali nei i quali i GRB sono prodotti nella nube di Oort intorno al sistema solare potevano essere esclusi.
Un primo sostanziale passo avanti verso la comprensione dell'origine dei GRB é stato fatto negli anni '90 grazie all'esperimento BATSE (Burst and Transient Source Experiment) a bordo del Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) della NASA. Questo esperimento ha rivelato piú di 2000 eventi nella banda di energia 25-2000 keV e stimato per ciascuno di essi la durata, il flusso di picco, la fluenza ed in particolare la direzione di provenienza, con una precisione da circa 1 a 10 gradi. Le capacitá di localizzazione di BATSE sono alquanto scarse se confrontate con quelle dei telescopi utilizzabili a energie piú basse, ma hanno permesso di dimostrare due fondamentali proprietá della distribuzione dei GRB nel cielo: la isotropia delle direzioni di arrivo e il basso numero di eventi deboli rispetto a quello aspettato per una distribuzione spaziale omogenea. Questi risultati mettono in seria difficoltá i modelli galattici, mentre sono spiegati in modo naturale da quelli cosmologici. Tuttavia non escludono che i GRB possano essere originati in un alone esteso attorno alla galassia, con un raggio minimo dal centro galattico di $\sim$125 kPc.

Una svolta senza precedenti nella scienza dei GRB é stata prodotta nel 1997 dai risultati del satellite Italiano, con partecipazione Olandese, per l'astronomia X BeppoSAX. Questa missione non é progettata specificamente per lo studio dei GRB, ma trasporta la strumentazione adeguata per un nuovo approccio alle osservazioni di queste sorgenti. Al momento della scrittura, BeppoSAX é stato in grado di rivelare simultaneamente con un rivelatore gamma ( Gamma-Ray Burst Monitor, 40-700 keV) ed uno X (Wide Field Cameras, 1.5-26 keV) 15 GRB, localizzandoli con una precisione (pochi minuti d'arco) senza precedenti (utilizzando le capacitá di localizzazione del rivelatore X) e di eseguire il rapido (6-8 ore dopo la rivelazione) puntamento di 12 di essi (piú 2 localizzati da RXTE/ASM) con telescopi X ad alta sensibilitá (0.2-10 keV, precisione di 1 arcmin). Per tutti gli eventi localizzati, BeppoSAX ha prodotto curve di luce e spettri in X e gamma, estendendo in basso fino a 1.5 keV la banda di energia sulla quale possono essere verificati i modelli di emissione. Per 13 GRB,il primo dei quali il 28 Febbraio 1997 (GRB970228) e l'ultimo il 26 Dicembre 1998 (GRB981226), é stato rivelato un afterglow X, cioé una emissione tra 2 e 10 keV seguente l'evento e con decadimento secondo legge di potenza. La precisione e la rapiditá della rivelazione e l'ampia diffusione dell'informazione sulla posizione hanno permesso ad altri osservatori di puntare questi eventi, portando alla scoperta per alcuni di essi di controparti ottiche e radio, ed alla misura della distanza tramite la stima del resdshift ottico.
La conseguenza piú importante di questi risultati é che i redshift stimati vanno da circa 0.8 (GRB970508) a 3.4 (GRB971214). Questo sembra confermare l'ipotesi cosmologica per l'origine dei GRB, coerentemente con i risultati di BATSE sulla distribuzione in cielo. Inoltre, é stata incrementata notevolmente la fenomenologia dei GRB: le curve di luce e gli spettri X del burst, l'emissione X, ottica e radio di afterglow hanno arricchito in modo straordinario il quadro osservativo, causando la messa in discussione di molti modelli esistenti e la elaborazione di nuovi.

Studio di GRB con il Gamma-Ray Burst Monitor di BeppoSAX

Il Gamma-Ray Burst Monitor (GRBM) a bordo di BeppoSAX é costituito da 4 cristalli scintillatori di ioduro di cesio (attivato con sodio), aventi ciascuno 1 cm di spessore e area geometrica di 1136 cm², utilizzati primariamente come schermi di anticoincidenza laterale del Phoswich Detection System (PDS), ed equipaggiati con elettroniche e canali di acquisizione e trasmissione dati per la rivelazione ('trigger') e la produzione di serie temporali ad alta risoluzione (fino a $\sim$0.5ms) di GRB nella banda 40-700 keV. Inoltre, vengono continuamente accumulati e trasmessi a terra tra i dati di housekeeping del PDS i conteggi al secondo misurati nelle bande 40-700 e >100 keV e spettri in energia tra 40 e 700 keV accumulati su 128 s.
La configurazione del payload di BeppoSAX é tale che due rivelatori del GRBM risultano co-allineati con le due Wide Field Cameras (WFC, rivelatori a immagine basati su contatori proporzionali sensibili alla posizione abbinati a maschere codificate, con banda tra 1.5 e 26 keV) a bordo dello stesso satellite. Questa particolare configurazione permette la simultanea rivelazione di GRB da parte del GRBM e delle WFC, fornendo alla missione BeppoSAX le capacitá senza precedenti di localizzazione e misure spettrali a larga banda di questi oggetti descritte precedentemente.
In particolare, l' analisi spettrale a larga banda di GRB é in grado di fornire informazioni preziose e praticamente nuove sui meccanismi fisici alla base della emissione dei GRB, sull'ambiente in cui avviene il GRB e sulla connessione tra il burst e l'afterglow. Infatti, nonostante il grande passo in avanti fatto con la scoperta degli afterglows, l'origine e la fisica di questi misteriosi eventi cosmici rimane poco chiara e molto dibattuta, e l'estensione a bassa energia degli studi spettrali puó porre forti vincoli ai modelli teorici. Quasi tutti i rivelatori di GRB a bordo delle passate e delle attuali missioni spaziali operano ad energie superiori a $\sim$20 keV, come BATSE. Al di sotto di questa soglia di energia, poche misure erano disponibili prima di BeppoSAX, la maggior parte delle quali (una ventina) ottenute dal rivelatore di GRB a bordo del satellite giapponese Ginga, i cui dati a bassa energia soffrono peró di problemi legati alla non conoscenza della direzione di arrivo dell'evento.
Per potere sfruttare le potenzialitá della analisi spettrale simultanea dei dati del GRBM e delle WFC é necessaria una conoscenza soddisfacente delle funzioni di risposta dei rivelatori del GRBM nel campo di vista delle WFC. La collocazione del PDS al centro del payload di BeppoSAX fa sí che gli altri strumenti scientifici, le elettroniche associate, i servo-sistemi, le strutture del satellite, etc., oscurino in parte il campo di vista di ciascun rivelatore. Quindi, la ricostruzione della risposta dei rivelatori del GRBM in funzione della energia e della direzione di arrivo dei fotoni é complessa, e molti sforzi sono stati fatti in questo senso in termini di numerose e complete calibrazioni a terra e dello sviluppo di un modello dell'intero satellite per simulazioni Monte Carlo.
L'analisi dei dati delle calibrazioni costituisce il nucleo del lavoro descritto in questa Tesi, ed é alla base della ricostruzione delle capacitá del GRBM di stimare il flusso e le proprietá spettrali delle sorgenti, dello sfruttamento delle possibilitá di localizzazione delle sorgenti stesse ed anche della verifica del modello Monte Carlo. La prima rivelazione simultanea di un GRB (GRB960720, circa 3 mesi dopo il lancio del satellite) ha accelerato la necessitá della conoscenza della matrice di risposta del GRBM nel campo di vista delle WFC. Quindi é stata data la prioritá a questa attivitá. Anche il lavoro sulla localizzazione é in via di sviluppo, basandosi parzialmente sul lavoro qui descritto.

Le calibrazioni mostrano che, a differenza delle altre due unitá, i due rivelatori co-allineati con le WFC hanno un campo di vista sufficientemente pulito e uniforme e che la ricostruzione delle loro funzioni di risposta puó essere ottenuta con modelli analitici basati sulle calibrazioni di terra e utilizzando risultati preliminari delle simulazioni Monte Carlo per discriminare i contributi passivi durante le calibrazioni e per estrapolare l'efficienza dei rivelatori a energie non coperte dalle misure.

Struttura della Tesi

Questa Tesi riporta i processi che a partire dalla analisi delle calibrazioni di terra hanno portato alla ricostruzione delle funzioni di risposta dei rivelatori GRBM co-allineati con le WFC, lo sviluppo di software e tecniche di analisi specifiche per la estrapolazione del flusso e della evoluzione spettrale di sorgenti dai ratemeters a 1 s e delle proprietá spettrali medie dagli spettri in energia accumulati ogni 128 s, le prestazioni e la calibrazione in volo tramite misure della Crab Nebula e confronto con i risultati di BATSE, e la applicazione delle matrici di risposta, del software e delle tecniche di analisi allo studio di flusso e proprietá spettrali di GRB e Soft Gamma Repeaters (SGR).

Nel primo capitolo viene fornita una descrizione generale della stumentazione scientifica di BeppoSAX funzionale alla comprensione della distribuzione di massa attorno al GRBM, e dei software di riduzione e analisi dati il cui uso costituisce. Successivamente viene data una descrizione dettagliata dell'esperimento PDS/GRBM, con particolare enfasi sui dati cientifici prodotti dal GRBM.

I due capitoli successivi descrivono le fasi della costruzione delle matrici di risposta dei due rivelatori co-allineati con le WFC (capitolo 3), partendo da una dettagliata descrizione delle calibrazioni di terra e dei loro risultati (capitolo 2), passando attraverso la stima dell'area efficacie in asse in funzione dell'energia, descrivendo quindi l'interpolazione con funzioni analitiche della dipendenza dalla direzione di incidenza dei fotoni dell'efficienza, e giungendo infine alla modellizzazione degli spettri delle sorgenti monocromatiche di calibrazione ed alla stima dei contributi passivi. Nel capitolo 3 viene anche descritto il software utilizzato per la riduzione e l'analisi dei dati di calibrazione, che é in parte stato prodotto dal BeppoSAX/GRBM team (spacchettamento, riduzione e quick-look dei dati), ed in parte é stato sviluppato per questo lavoro (software di analisi dei dati di calibrazione, di modellazione analitica e fitting della risposta dei rivelatori, di generazione delle matrici di risposta in formati standard). In questo capitolo viene fornita anche una breve descrizione del modello Monte Carlo, assieme al confronto dei risultati preliminari delle simulazioni con le calibrazioni.

Il capitolo 4 descrive le caratteristiche e le tecniche di analisi dei dati di volo del GRBM, con particolare enfasi al fondo in orbita, alla riduzione dei dati, alla sottrazione del background e alle tecniche di analisi spettrale dai ratemeters a 1 s e dagli spettri a 128 s. Inoltre, vengono riportati i metodi sviluppati per la misura di flusso e spettro della Crab nebula al fine di verificare le funzioni di risposta del GRBM, il confronto con i risultati di BATSE relativamente a GRB rivelati da entrambi gli esperimenti, e la cross-calibrazione di WFC e GRBM tramite l'utilizzo di misure dello spettro della Crab nebula.

Il quinto capitolo contiene la descrizione ed i risultati della applicazione della funzione di risposta del GRBM alla analisi spettrale di GRB simultaneamente rivelati da una delle due WFC. Per molti di loro, in funzione anche della qualitá statistica dei dati, sono stati ottenuti e analizzati lo spettro medio e l'evoluzione spettrale a larga banda. Come discusso in precedenza, questi risultati sono di grande intersse per lo studio dei GRB e molti sono stati pubblicati in specifici articoli su riviste scientifiche (alcuni dei quali sono stati inclusi in appendice).
Viene inoltre descritto un lavoro sulla osservazione GRBM del soft gamma repeater SGR1900+14, un interessante caso scientifico ed un esempio di applicazione delle matrici di risposta del GRBM al di fuori del campo di vista delle WFC.

Infine, nel capitolo 6 vengono brevemente riassunti i risultati del lavoro svolto e descritte le attivitá in corso e le prospettive future.