g -ray bursts at IASF Roma

1. Enrico Costa Premessa L’Astrofisica delle Alte Energie presso l’IASF di Roma g-ray bursts at IASF Roma

2. AAE all’IASF-RM 12 Ricercatori a tempo indefinito A.Bazzano INTEGRAL, BeppoSAX WFC M.Cocchi INTEGRAL, BeppoSAX WFC E.Costa AGILE, INTEGRAL, BeppoSAX-PDS/GRBM M.Feroci AGILE, INTEGRAL, BeppoSAX-PDS/GRBM R.Fusco Teoria/Interpretazione (BeppoSAXSAX, Chandra, XMM) F.Giovannelli Osservazioni/Interpretazoni Multifrequency L.Natalucci INTEGRAL, BeppoSAX WFC L.Piro BeppoSAX MS, Osservazioni/Interpretazioni A.Preite-Martinez* Teoria/Interpretazione (BeppoSAXSAX, Chandra, XMM) P.Soffitta AGILE, INTEGRAL, BeppoSAX-PDS/GRBM M.Tavani AGILE P.Ubertini INTEGRAL, BeppoSAX WFC + 2 ricercatori con attivita’ rilevante nel campo della AAE A.Chieffi* SN F.V.Polcaro* Spettroscopia

3. AAE all’IASF-RM 1+1 Ricercatori a tempo definito M.Del Santo Art.23 INTEGRAL (Dottorando Toulouse) L.Pacciani Art.23 [gap da art.36] AGILE 4 Incarichi di Ricerca B.M.Belli Ex Ricercatore IASF M.Litterio Professore Scuola Media E.Massaro Professore Universita’ di Roma-1 G.Palumbo Professore Universita’ di Bologna M.Rapisarda Ricercatore ENEA (Frascati)

4. AAE all’IASF-RM Ricercatori in formazione 7 Assegni di Ricerca+Borsisti Post Doc B.Gendre Borsa RTN GRB F.Capitanio ADR INTEGRAL,SAX WFC (Dottor.Southampton) G.De Cesare ADR INTEGRAL M.De Pasquale ADR GRB (SAX, Chandra, XMM) G.G.Gandolfi ADR Outreach, SAX MS (gia’ art.23) G.Porrovecchio ADR AGILE A.De Rosa BorsaCNR AGN (SAX, Chandra, XMM) B.Preger BorsaCNR AGILE 5 Dottorandi L.Colasanti Dottorando Bologna (3) R&D Spettroscopia A.Corsi Dottorando Roma-1 (1) AGN E.Del Monte Dottorando Roma-2 (3) AGILE F.Lazzarotto Dottorando Roma-2 (Inf.)(3) AGILE L.Vetere Dottorando Roma-1 (2) GRB >5 Laureandi A.Caliandro (BeppoSAX/XMM), V.Carfi’ (BeppoSAX), G.Resta (R&D Polarimetria), A.Tarana (INTEGRAL), V.D’Alessio (GRB), A.Galli (GRB)

5. AAE all’IASF-RM Tecnici e altro personale dedicato Tecnici con contratto a tempo indefinito G.di Persio Informatico (AGILE, Supporto Analisi,R&D) M.Federici Elettronico/Inform. (INTEGRAL, Supporto Analisi,R&D) M.Frutti* Meccanico (Progetto su tutti i progetti IASF A.Rubini Elettronico (AGILE, INTEGRAL, R&D) Altro personale dedicato con contratto a tempo indefinito L.Barbanera Funz.Ammin. S.Di Cosimo* Assistente tecnico C.Spalletta Archiv. Altro personale tecnico dedicato a vario titolo M.Mastropietro* Tecnico (di ruolo in altro Istituto CNR) U.Zannoni coll.esterno G.Patria* Insegnante medio – Incarico di Collaboraz.Tecnica * Impegno anche su altre attivita’

6. ASTROFISICA ALTE ENERGIE ALL’IASF-RM R & D ANALISI DATI TEORIA ASTROFISICA AAE PI-ship GESTIONE TECNICA DI PAYLOAD E SCIENTIFICA DI MISSIONI • REALIZZAZIONE • PAYLOAD • HW realizzato • in casa • 2. Supervisione • contratti • industriali

7. Clean rooms (Persa la clean room di Area)+cappe Camere Termiche e da Vuoto (non termo-vuoto) Meccanica: Solo Progettazione e Controllo Contratti Industriali Elettronica – Strumentazione-CAD Elettronica Nucleare – Rivelatori -Sorgenti Sistemi di acquisizione Stazioni di laboratorio (alcune mobili) Sistemi di elaborazione 40 punti di lavoro individuali da tenere ad un certo livello di funzionalita’) - Supporto archivi S/W AAE all’IASF-RM:Attrezzature e capacita’ realizzative

8. AAE all’IASF-RM:Fondi 2002-2003(1 anno) ASI • INTEGRAL Ubertini • 35 Da SAX a INTEGRAL Bazzano • 80 INTEGRAL Core Program Bazzano • 30 XMM Fusco • 30 SAX Osservazioni Preite-Martinez • 15 XEUS Piro • 180 AGILE Costa • 46 R&D CdTe Ubertini Commissione Europea • 80 Premio Des Cartes Piro • 10 Missioni RTN Piro

9. Principali Progetti passati e correnti Razzi: (1968 –1977) Palloni stratosferici: (1975 – 1990) BeppoSAX: (1982-2003) PDS (CoI), WFC (CoI), Mission Scientist SPECTRUM-X-g: (1990-2000) MART-LIME(PI&CoI), SXRP (CoI) mai lanciato INTEGRAL: IBIS (PI&CoI), JEM-X (CoI) AGILE: PI & CoIs AAE all’IASF di Roma

10. Esperimenti di Astronomia X/g all’IASF Roma 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 Razzi Palloni Stratosferici Beppo-SAX Spectrum X-Gamma (mai lanciato) INTEGRAL AGILE

11. Partecipazine IASF-RM alle iniziative di AAE verso l’ASI Astrofisica delle Alte Energie Proposta di Attività Scientifica in ambito IASF, INAF e INFN Proposta presentata all'Agenzia Spaziale Italiana in risposta al Bando per le Nuove Iniziative per l'Area Tematica di Osservazione dell'Universo nel mese di giugno 2003. * Coordinatori: M. Tavani (IASF) G. Puglierin (INFN) B. Sacco (IASF) S. Sciortino (INAF)   In collaborazione con: S. Di Pippo (ASI) Versione 1.1 del 9/6/2003 Offerta relativa alla Fase di Studio per Tematiche e Modelli nel Campo dell’Astrofisica delle Alte Energie. Codice n.11 del bando - Capitolato UAOSU-RAF-04 Soggetto Offerente: Enrico Costa,Istituto di Astrofisca Spaziale e Fisica Cosmica, CNR/INAF, Roma Coordinatori: Enrico Costa, Istituto di Astrofisca Spaziale e Fisica Cosmica, CNR/INAF, Roma Giuseppe Cesare Perola, Universita’ di Roma 3, afferente INAF Gabriele Puglierin, Sezione di Padova, INFN

12. X-Ray Astrophysics: Strategic Tree 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 High z Detectors HEXIT (Pallone) LOBSTER X-ray Optics XEUS CON X IMBOSS MicroCalorimeters DUE Polarimeters

13. g-ray bursts at IASF Roma Ma veniamo al tema specifico! I Gamma-Ray Bursts (Lampi Gamma)

14. B.M.Belli Analisi statistiche per ricerca di classi spettrali e temporali con dati Konus, SIGNE e BATSE. Ricerca di classi basata sull’HR e sulle curve di luce GRB all’IASF-RM prima di Beppo SAX-I

15. GRB all’IASF-RM prima di Beppo SAX -II M.Tavani: Synchrotron Shock Model: teoria dell’evoluzione spettrale dei GRBs.

16. Il ground Segment di BeppoSAX: OCC,SOC e SDC nello stesso edificio. Sistema chiuso. Team Integrato tra GS, Mission Scientist e Hardware Goups Attivita’ avviata con BeppoSAX

17. PDS (in particol. Lateral Shields/GRBM: hardware, simulazioni, calibrazioni in ESTEC, performances in volo) WFC Mission Scientist Proposal GRB con WFC su trigger GRBM Proposal TOO con NFI (3/8 CoPI) Ruolo IASF Roma in BeppoSAX

18. GRB970228 – la scoperta dell’afterglow Prompt BeppoSAX GRBM/WFC (Costa et al 1997) Afterglow X – BeppoSAX MECS (Costa et al 1997) Afterglow Ottico (William Herschel) (Van Paradijs et al 1997)

19. F≈ t-dn-adx≈1.4; ax≈1.0 Piro et al 99 Costa et al 97 Power laws: the hallmark of afterglows

20. I risultati principali di BeppoSAX • BeppoSAX ha aperto la strada alla rivoluzione dell’Afterglow ed ha operato operato per 6 anni: il suo contributo allo studio dei GRB e’ stato unico. • La scoperta dell’afterglow X ha portato alla scoperta dell’ afterglow ottico con la localizzazione dell’host e la misura del red-shift e dell’ afterglow radio con la rivelazione della scintillazione e la verifica diretta dell’espansione relativistica. • Un campione completo di misure di GRB con lo studio dell’ evoluzione spettrale da 2 a 700 keV con GRBM e WFC (~80 tra GRB e Flash) • Un sottocampione di 32 afterglow con i NFI (su 35 follow up) • La scoperta delle righe X • La scoperta dell’associazione GRB-SN • Come si collocano le altre missioni?

21. Missioni precedenti La scoperta delle localizzazioni e dell’afterglow ha portato alla rianalisi di dati di HEAO1-A2 e di SIGMA/GRANAT che presentavano evidenza di afterglow. ROSAT ha puntato GRB970228 consolidando l’identificazione dell’afterglow ottico con quello X. XTE ha scoperto di avere alcune localizzazioni gia acquisite ed ha messo in piedi la procedura di identificazione veloce. Inoltre ha creato una procedura di ripuntamento rapido di PCA sulle segnalazioni di BATSE e di SAX ASCA ha modificato le proprie procedure per attuare follow-up rapidi di GRB localizzati da SAX, da BATSE+IPN e da XTE/ASM.

22. Missioni Successive Chandra e XMM hanno modificato le procedure delle TOO Chandra ha osservato circa 10 GRB dando localizzazioni molto precise e, in qualche caso, spettri ad alta e media risoluzione, consentendo la localizzazione in X al secondo d’arco di burst dark. XMM ha fatto numerosi follow up che hanno consentito la rivelazione di righe diverse dal Fe HETE-2 ha accresciuto il campione di GRB studiati in X e g. Ha fornito localizzazioni con tempi sempre piu’brevi permettendo misure ottiche anche a 10 minuti dal GRB. I dati ottici hanno permesso la presenza di deviazioni significative dalla semplice power law o dalla power law con un unico break (modello a jet). RHESSI ha misurato la polarizzazione lineare tra il 60 e il 100% di un GRB.

23. INTEGRAL e i GRB GCN 1706 – 26 Nov. A. Bazzano, A. Paizis and the ISWT GCN 1714 -29 Nov A. Gros, N. Produict and the ISWT GRB021125: The First Integral/IBIS Gamma Ray Burst detection: position from IBIS and the International Satellite Network.

24. 6 Gamma-ray bursts in the FoV so far • GRB 021125 Malaguti et al. A&A a-ph/0307523 • Bazzano et al., GCN 1706 • GRB 021219 Mereghetti et al. A&A a-ph/0308457 • Mereghetti et al., GCN 1766 • GRB 030131 Gotz et al. A&A a-ph/0307406 • J. Borkoski, GCN 1836 • GRB 030227 Mereghetti et al. ApJ 590, L73 • D. Gotz et al., GCN 1895 • GRB 030320 von Kienlin et al. A&A a-ph/0308349 • S. Mereghetti GCN 1941 • GRB 030501 Beckmann et al. A&A a-ph/0307070 • S. Mereghetti GCN 2183

25. GRB031203 Allerta dopo 10 secondi dal GRB! (record con GRB990123 di BATSE). Purtroppo il red-shift a 10 non e’ confermato

26. G=2.0 Eo = 70 keV G=2.2 a = -1.4 b = -3 G=3.7 021219 (Mereghetti et al. 2003b) 030131 (Gotz et al. 2003) 021125 (Malaguti et al. 2003) G=1.7 G=1.7 G=1.85 030227 (Mereghetti et al. 2003a) 030320 (von Kienlin et al. 2003) 030501 (Beckmann et al. 2003) The Integral GRB Spectra (courtesy of Sandro Mereghetti) 021219 (Mereghetti et al. 2003) 030227 (Mereghetti et al. 2003) 030320 (von Kienlin et al. 2003)

27. GRB 030227 X-ray afterglow flux decay Fxa t -1 XMM-Newton observation started 8 hr after GRB Mereghetti et al. 2003, ApJ 590, L73 Fx = 8.5x10-13 erg cm-2 s-1 (0.2-10 keV)

28. 39 follow-up observations of well-localized GRB’s (38 from BSAX, 1 from IPN+very bright OT: GRB000926) Total of 36 afterglow observations considered. We exclude 3 GRB’s: GRB990705: contamination in the NFI off-axis FOV of a strong source; GRB960720: the first GRB localized in off-line analysis; TOO carried out 1 month after the GRB; GRB980425 Results: How many X-ray afterglows ? (i.e. a previously unknown X-ray source lin the WFC error box showing a significative fading ): primary parameters:F(E,T)=F≈ exp(-sNH) t-dn-a, normalization F(1.6-10 keV)@11hrs De Pasquale et al (03, ApJ; Piro et al, in prep.) The catalogue of BSAX GRB afterglows

29. Only 3 upper limits (i.e. no source with F<10-13 c.g.s) and 3 dubious cases (i.e. a previously unknown source without a significant fading variation): X-ray afterglows are thence present in > 83-92% GRB All the 4 X-ray rich GRB (Fx/Fg>1) show an X-ray afterglow (e.g. Feroci et al , Frontera et al, Nicastro et al) Results

30. Best fit power law to afterglow decay • Narrow distribution of Fluxes @11 hrs • Decay slopes • Main coverage: from 8 hrs to 2 days

31. F≈t-dn-a, d and a linked (Sari et al 98, Chevalier & Li 99) Constraints on the fireball model (II)

32. (De Pasquale, Luigi Piro et al,ApJ 03) nx> nc =>p=2.26 ±0.14 The fireball expansion for t<2 days consistent with spherical (either ISM or wind), i.e. collimation effects not (yet) present: q>11° (n/Eiso,52)1/8 (t/2days)3/8 (vs the average of 6° from Frail et al ) ( also in Stratta &P 00) Constraints on the fireball model (III)

33. Hypernovae/collapsar evolve much faster, going off in their formation site => “mass-rich environment” => lines • NS- NS merging Hypernova The progenitors of GRB The nature of the progenitor can be inferred from the environment • NS-NS (BH-NS & BH-WD) travel far from their formation sites before producing GRB’s (Fryer et al 2000) => “clean environment”: no lines

34. Iron features in GRB • GB970508 (Piro et al 1999) • GB000214 (Antonelli et al 2000) • GB991216 (Piro et al 2000) • GB990705 (Amati et al 2000) • GB980828 (Yoshida et al 1999)

35. The GRB-SN connection furtherly confirmed by the detection of He/H-like Mg, Si, S, Ar metal lines blueshifted at v/c=0.1 in the afterglow spectra of GRB011211 (by XMM, Reeves et al 02), GRB020813(by Chandra, Butler et al 03) and GRB030227 (by XMM, Watson et al 03) See Schartel talk Soft X-ray lines

36. GB980425: in the BeppoSAX error box: SN1998bw(Pian et al. 99,Kulkarni et al, Galama et al al 98). Exploded within 1 day from the GRB. Chance P=1E-4 HETE-2 GRB030329=typeIc SN2003dh GRB-SN connection

37. If GRB=SFR, about 20% of them at z>5 (Bromm & Loeb 03) Events at z>5 will not be visible in the optical range, (Lyalpha forest absorption): they have to be “dark” Most of the redshift are now derived from optical obs => strong bias against high-z GRB X-ray redshift or IR photometric/spectroscopy z GRB00013C: z=4.5 (Andersen et al 01) The quest for high-z GRB

38. about 20% of dark GRB are “truly dark”, being their ratio of optical-to-X-ray fluxes smaller by a factor of about 6 compared to OTGRB Not consistent with the fireball model unless: OT heavily absorbed by star forming region ? Or located at z>5 (such that intragalactic gas will absorb photons below Lyman limit) Are there really dark GRB? YES

39. GRB000210: BeppoSAX & Chandra • GRB localized by BeppoSAX. The brightest ever observed in g-ray peak flux • Simultaneous obs of the X-ray afterglow with Chandra. • No OT >23.5

40. X-ray rich GRB/ X-Ray Flash: a new class discovered by BSAX: about 30% GRB’s with no or very faint or gamma-ray emission (Sx/Sg>1). GRB’s in high dense medium (dirty fireball => smaller Lorentz factor (Dermer et al) or normal GRB seen at large angles (Berger et al, Woosley et al., ..) or events at z>5-10? X-ray flashes Heise et al 2001

41. 2 of XRF localized by BSAX and followed up by Chandra show a faint blue host galaxy (z<2) (Bloom et al 03) XRF host galaxies

42. GRB and Cosmology • The brightest (Liso=1053-54 erg/s) and most distant sources in the Universe (z=0.16-4.5) • They are bright enough to be visible out to much larger distances than those of the most luminous galaxies & quasars(in fact some of the constituents of mysterious classes of GRB can be high-z GRB) • trace the evolution of metals is the Universe • Trace the dark matter structures in the z<2 universe by measuring the WHIM (Warm Hot Intragalactic Medium) • Associated with star-formation (Iron lines, GRB-SN connection, fireball evolution, OT in host galaxies) • They can pinpoint obscured star-forming galaxies (X-rays and gamma-rays pierce through) and probe the region z=10-20 where the first stars & galaxies formed (current record holder is a qso at z=6.2) • Probing the reionization epoch (no proximity effect as in QSO’s) • The only way of measuring distance: X-ray redshift

43. About 25% of GRB’s have durations <1 sec,down to few msec. No counterpart so far. Different progenitors (NS-NS mergers)? Remaining mysteries: short GRB’s Paciesas et al 99

44. Dove va la scienza dei GRB? INTEGRAL dovrebbe risolvere il problema dell’energetica e dell’inizio dellafterglow grazie ai ripuntamenti rapidi ed alla misura delle prime fasi dell AG a larga banda (diversamente da WFC) SWIFT fara’ un ricco campione di AG con localizzazioni ottiche e spettri X. Risolvera’ il problema dei dark e potrebbe risolvere quello degli short ed allarghera’ il campione spettroscopico. Acquisira’ un largo campione di GRB a Z noto. Il limite e la scarsa caratterizzazione del Prompt sotto 20 keV e sopra 200 keV (niente energia totale) XEUS, se dotato di una strategia di puntamento abbastanza veloce, puo’ fare laspettroscopia adalta risoluzione e la polarimetria dei GRB nelle prime fasi dell’AG. Manca una missione che copra simultaneamente la spettroscopia ad alta risoluzione e la polarimetria dell’AG e una buona caratterizzazione (spettroscopica, polarimetrica, e fotometrica) del prompt. Molti segreti sul progenitore sono nei dati del prompt!