Astrofisica nucleare relativistica 1
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di presentare agli studenti i principi della fisica stellare, sia a livello microscopico che macroscopico. Vengono studiate le proprietà termodinamiche della materia stellare, l'equilibrio e stabilità gravitazionale dei corpi autogravitanti, la produzione e il trasporto di energia nelle stelle. In questo modulo, la teoria generale viene esemplificata sulle stelle classiche.
Risultati apprendimento attesi
Alla fine dell'insegnamento, lo studente dovrà avere compreso i seguenti concetti:
· Equazione di stato della materia alle varie temperature e pressioni presenti nelle stelle
· Teorema del viriale gravitazionale e sua applicazione all'equilibrio e evoluzione stellare
· Teoria dei politropi e modello standard di Eddington
· Reazioni termonucleari nelle varie fasi evolutive
· Trasporto di energia (conduzione, convezione e trasporto radiativo)
· Random walk e diffusione applicati alle atmosfere stellari (atmosfera di Eddington, temperatura di colore)
· Equazioni di struttura stellare e teoria della sequenza principale (omologia)
· Equazione di stato della materia alle varie temperature e pressioni presenti nelle stelle
· Teorema del viriale gravitazionale e sua applicazione all'equilibrio e evoluzione stellare
· Teoria dei politropi e modello standard di Eddington
· Reazioni termonucleari nelle varie fasi evolutive
· Trasporto di energia (conduzione, convezione e trasporto radiativo)
· Random walk e diffusione applicati alle atmosfere stellari (atmosfera di Eddington, temperatura di colore)
· Equazioni di struttura stellare e teoria della sequenza principale (omologia)
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Introduzione al corso - Tipiche condizioni di densità e temperatura nelle stelle compatte - Limiti di applicabilità della fisica classica nelle stelle compatte. Equazione di stato della materia stellare: Richiami di termodinamica e di meccanica statistica - Gas perfetto e Gas di Fermi degenere: caso non-relativistico, ultrarelativistico e generale Equazione di stato della materia densa: il problema dell'interazione NN ed i potenziali fenomenologici.
Struttura ed evoluzione stellare : Teorema del viriale - Equilibrio idrostatico di un gas nonrelativistico ed ultrarelativistico - Condizioni per l'innesco delle reazioni termonucleari - Indice adiabatico ed instabilità di corpi autogravitanti - Politropi: equazioni di Lane-Emden, masse e raggi - Le equazioni della struttura stellare.
Richiami di relatività generale, equazioni TOV di struttura stellare in relatività.
Predizioni con la teoria dei politropi - Massa limite di Chandrasekhar per le nane bianche e discussione del problema della massa limite per le stelle di neutroni, dipendenza dall'equazione di stato.
Esplosioni di Supernova: Introduzione e fenomenologia.
Modelli avanzati di equazione di stato, materia esotica ad alte densità.
Stelle rotanti classiche e relativistiche - confronto con il caso dei buchi neri. Metrica di Kerr e approssimazione di slow rotation.
Campi magnetici nelle stelle di neutroni - modello di dipolo rotante e modelli magnetoidrodinamici. Superfluidi e superconduttori nelle stelle di neutroni.
Equazione del calore e raffreddamento delle stelle compatte - emissione di neutrini.
Introduzione alle onde gravitazionali e ai meccanismi di emissione - chirp da coalescenza di oggetti compatti e onde continue da stelle di neutroni.
Struttura ed evoluzione stellare : Teorema del viriale - Equilibrio idrostatico di un gas nonrelativistico ed ultrarelativistico - Condizioni per l'innesco delle reazioni termonucleari - Indice adiabatico ed instabilità di corpi autogravitanti - Politropi: equazioni di Lane-Emden, masse e raggi - Le equazioni della struttura stellare.
Richiami di relatività generale, equazioni TOV di struttura stellare in relatività.
Predizioni con la teoria dei politropi - Massa limite di Chandrasekhar per le nane bianche e discussione del problema della massa limite per le stelle di neutroni, dipendenza dall'equazione di stato.
Esplosioni di Supernova: Introduzione e fenomenologia.
Modelli avanzati di equazione di stato, materia esotica ad alte densità.
Stelle rotanti classiche e relativistiche - confronto con il caso dei buchi neri. Metrica di Kerr e approssimazione di slow rotation.
Campi magnetici nelle stelle di neutroni - modello di dipolo rotante e modelli magnetoidrodinamici. Superfluidi e superconduttori nelle stelle di neutroni.
Equazione del calore e raffreddamento delle stelle compatte - emissione di neutrini.
Introduzione alle onde gravitazionali e ai meccanismi di emissione - chirp da coalescenza di oggetti compatti e onde continue da stelle di neutroni.
Prerequisiti
L'insegnamento non ha prerequisiti particolari, se non conoscenze di base di fisica classica, meccanica quantistica e relatività ristretta, ed i vari argomenti saranno introdotti e sviluppati in maniera consistente all'interno dell'insegnamento.
Metodi didattici
Modalità di frequenza:
Fortemente consigliata;
Modalità di erogazione:
Tradizionale.
Fortemente consigliata;
Modalità di erogazione:
Tradizionale.
Materiale di riferimento
S.L. Shapiro and S.A. Teukolsky: Black Holes, White Dwarfs, and Neutron Stars: the Physics of Compact Objects (Wiley Interscience, 1983)
Glendenning: Compact Stars: Nuclear Physics, Particle Physics and General Relativity (Springer Astronomy and Astrophysics Library, 2012)
Weinberg: Gravitation and cosmology: principles and applications of the general theory of relativity (Wiley, 1972)
Misner, Thorne & Wheeler: Gravitation (W.H. Freeman Princeton University Press, 1973)
Silbar & Reddy: Neutron Stars for Undergraduates, Am.J.Phys. 72 (2004) 892-905, arXiv:nucl-
th/0309041
Tassoul: Theory of rotating stars (Princeton University Press, 1978).
Haensel, Potekhin & Yakovlev: Neutron Stars 1: Equation of State and Structure (Springer Astrophysics and Space Science Library, 2006)
Glendenning: Compact Stars: Nuclear Physics, Particle Physics and General Relativity (Springer Astronomy and Astrophysics Library, 2012)
Weinberg: Gravitation and cosmology: principles and applications of the general theory of relativity (Wiley, 1972)
Misner, Thorne & Wheeler: Gravitation (W.H. Freeman Princeton University Press, 1973)
Silbar & Reddy: Neutron Stars for Undergraduates, Am.J.Phys. 72 (2004) 892-905, arXiv:nucl-
th/0309041
Tassoul: Theory of rotating stars (Princeton University Press, 1978).
Haensel, Potekhin & Yakovlev: Neutron Stars 1: Equation of State and Structure (Springer Astrophysics and Space Science Library, 2006)
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in una discussione orale, di circa un'ora, che verte sugli argomenti trattati nel insegnamento. Vengono verificate sia le nozioni teoriche apprese che la loro applicazione quantitativa a semplici casi.
Docente/i