Gamma-ray bursts and their X-ray and optical afterglow

Lo scopo di questa tesi è lo studio e la caratterizzazione dell'emissione X e ottica dei gamma-ray burst (GRB). I GRB sono la sorgente più potente di radiazione elettromagnetica dell'universo, la cui luminosità può raggiungere valori di $10^{54}$ erg/s. Il satellite Swift, lanciato nel novembre del 2004, ha aperto una nuova era per lo studio e la comprensione dei GRB, grazie alla rapida risposta dei suoi strumenti che ha permesso localizzare in modo accurato la maggior parte dei GRB e di ottenere una visione più completa della loro evoluzione. Nella prima parte del mio Dottorato sono stata coinvolta nell'analisi statistica delle curve di luce (CL) osservate nella banda energetica corrispondente ai raggi X del telescopio per i raggi X a bordo del satellite Swift. Questo studio non ha assunto alcun modello teorico per spiegare le osservazioni, ma è stato finalizzato alla raccolta di tutte le possibili informazioni osservative. Il nostro campione è composto dalle CL di più di 650 GRB osservati da Swift tra Dicembre 2004 e Dicembre 2010. Per 437 GRB, grazie alla bontà statistica dei dati, è stato possibile estrarre uno spettro per convertire le loro CL da conteggi a flusso. Per i GRB per cui è stato misurato il redshift, sono state calcolate anche le CL in luminosità nella banda energetica 0.3-30 keV nel sistema di riferimento della sorgente, in modo da approssimare la luminosità bolometrica. Dall'interpolazione dei dati delle CL, abbiamo ottenuto i valori delle pendenze temporali e dei break time, cioè dei tempi in cui la CL cambia la sua pendenza, e abbiamo caratterizzato l'andamento temporale dell'emissione duratura in banda X, escludendo le fluttuazioni (flares) che sono probabilmente dipendenti da meccanismi diversi. Per ogni GRB, sono state calcolate le densità di flusso e le energie corrispondenti all'emissione X totale, dei flares e delle diverse componenti della CL. è stata realizzata un'analisi omogenea dei GRB in una banda energetica comune (0.3-30 keV) nel sistema a riposo della sorgente. I GRB sono classificati come lunghi e corti, in base alla durata dell'emissione iniziale, detta prompt emission (T90>2 s e T90<2 s, rispettivamente); il nostro campione di GRB ci ha permesso di studiare le differenze e le somiglianze di queste queste due classi di GRB. Infine abbiamo identificato una nuova relazione tra l'emissione X e gamma trovando una legge universale che coinvolge due parametri che si riferiscono alla prompt emission e uno che si riferisce all'emissione X: l'energia totale della promp emission ($E_{\gamma,iso}$), l'energia di picco dello spettro integrato nel tempo della prompt emission ($E_{pk}$) e l'energia X ($E_{X,iso}$). L'idea principale del progetto appena discusso è lo studio di tutte le quantità che caratterizzano i dati X e la ricerca di un legame tra l'emissione prompt nei raggi gamma e quella nelle altre bande energetiche, X, ottico e radio, detta afterglow. Durante questo lavoro, ci siamo resi conto della necessità di aggiungere le informazioni che provengono dai dati ottici dei GRB, in modo da studiare in modo più dettagliato i meccanismi di emissione dei GRB e le proprietà dell'ambiente che li circonda. Quindi, nella seconda parte del mio Dottorato ho condotto un mio personale progetto di ricerca, analizzando in modo sistematico i dati ottici disponibili in letteratura. Il primo passo è stato quello di interpolare le CL ottiche, in modo da caratterizzare il loro andamento temporale. Poi abbiamo modellato le distribuzioni di energia spettrale ottica e X (SED) e abbiamo studiato le distribuzioni dei parametri ottenuti da questo studio. Infine abbiamo confrontato l'andamento temporale delle CL ottiche. Per il 20% dei GRB la differenza tra la pendenza ottica e X è consistente con i valori attesi dal modello standard per l'afterglow dei GRB, mentre nella maggior parte dei casi le CL ottiche e X mostrano un andamento temporale diverso. Inoltre, abbiamo trovato un'indicazione che l'inizio della fase di afterglow nelle CL ottiche (che corrisponde nelle CL a picchi iniziali o fasi quasi-costanti) potrebbe essere collegato alla presenza dei flare nei raggi X. Quindi, quando ci sono flares X, il picco iniziale o la fine della fase quasi-costante della curva di luce ottica avvengono durante la fase iniziale della CL X, detta steep decay, invece se non ci sono flare X o se avvengono successivamente allo steep decay, il picco iniziale o la fase quasi-costante della CL ottica si manifestano durante la fase quasi-costante della curva di luce X. Questo potrebbe legare l'emissione prompt con l'ottico. In generale, troviamo che il modello del standard per l'afterglow non può spiegare tutte le caratteristiche delle CL ottiche e X. Comunque, l'emissione di sincrotrone può essere un meccanismo plausibile per spiegare l'emissione dell'afterglow a tempi tardi. L'analisi delle SED ci ha permesso di studiare le proprietà dell'ambiente dei GRB, quantificando la quantità di assorbimento alle lunghezze d'onda ottiche e X. Il primo è dovuto alla polvere invece l'ultimo è dovuto principalmente ai metalli. La nostra analisi ha mostrato che il rapporto tra il gas e la polvere per i GRB è maggiore rispetto ai valori calcolati per la Via Lattea, la Grande Nube di Magellano e la Piccola Nube di Magellano, assumendo abbondanze solari.