Cosmologia 2
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di fornire agli studenti (a) da un lato le competenze teoriche per comprendere la fisica della crescita delle disomogeneità nell'Universo e la formazione delle strutture a partire dal modello di Hot Big Bang, e (b) la conoscenza e padronanza dei risultati sperimentali e dei metodi statistici che permettono di testare tale teoria e vincolarne i parametri fondamentali, con specifico riguardo alle misure della distribuzione a grande scala delle galassie.
Risultati apprendimento attesi
Al termine dell'insegnamento, lo studente avrà acquisito:
1. Familiarità con le osservazioni, la morfologia e le misure statistiche della distribuzione delle galassie a grande scala, le misure di anisotropia del fondo cosmico nelle micro-onde e lo stato dell'arte in questi ambiti.
2. La capacità di descrivere le disomogeneità osservate sia in termini di funzione di autocorrelazione a due punti, sia di componenti e spettro di Fourier, con conoscenza dei metodi di stima da campioni reali, e di collegare le misure alla descrizione teorica delle fluttuazioni di densità di un campo continuo di materia.
3. La conoscenza dell'equazione lineare di crescita delle perturbazioni di densità nell'Universo in espansione, della sua derivazione in approssimazione Newtoniana e delle sue soluzioni nei casi di materia relativistica o meno.
4. La comprensione della storia di crescita delle perturbazioni cosmologiche nelle varie fasi dell'Universo e come questo dia origine allo spettro e alle scale caratteristiche che oggi misuriamo dalla CMB e nella distribuzione delle galassie.
5. La comprensione della necessità dell'esistenza di una componente di materia "non barionica" (materia oscura) con specifiche proprietà per dare coerenza al quadro teorico-sperimentale.
6. Tutti gli strumenti per poter contribuire in modo autonomo a lavori di ricerca sperimentali e interpretativi nell'ambito dello studio della struttura a grande scala delle galassie e dei test del modello cosmologico standard
1. Familiarità con le osservazioni, la morfologia e le misure statistiche della distribuzione delle galassie a grande scala, le misure di anisotropia del fondo cosmico nelle micro-onde e lo stato dell'arte in questi ambiti.
2. La capacità di descrivere le disomogeneità osservate sia in termini di funzione di autocorrelazione a due punti, sia di componenti e spettro di Fourier, con conoscenza dei metodi di stima da campioni reali, e di collegare le misure alla descrizione teorica delle fluttuazioni di densità di un campo continuo di materia.
3. La conoscenza dell'equazione lineare di crescita delle perturbazioni di densità nell'Universo in espansione, della sua derivazione in approssimazione Newtoniana e delle sue soluzioni nei casi di materia relativistica o meno.
4. La comprensione della storia di crescita delle perturbazioni cosmologiche nelle varie fasi dell'Universo e come questo dia origine allo spettro e alle scale caratteristiche che oggi misuriamo dalla CMB e nella distribuzione delle galassie.
5. La comprensione della necessità dell'esistenza di una componente di materia "non barionica" (materia oscura) con specifiche proprietà per dare coerenza al quadro teorico-sperimentale.
6. Tutti gli strumenti per poter contribuire in modo autonomo a lavori di ricerca sperimentali e interpretativi nell'ambito dello studio della struttura a grande scala delle galassie e dei test del modello cosmologico standard
Periodo: Primo 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
Primo semestre
Programma
1. Introduzione
— Stato attuale della cosmologia, il modello standard e le osservazioni a suo supporto
— Richiami dei concetti di base indispensabili da Cosmologia I e Astrofisica (Eqz. di Friedmann, metrica di RW, distanze in cosmologia, magnitudini, SED, masse stellari delle galassie, correzione K)
— Candele standard e la scoperta dell'espansione accelerata
2. La distribuzione delle galassie su grande scala
— Conteggi di galassie come test del modello cosmologico, funzioni di luminosità e problemi relativi
— Redshift surveys
— Varianza nei conteggi di galassie: statistiche a due punti (f. di correlazione e spettro di potenza 3D)
— Campo delle fluttuazioni di densità: scomposizione in componenti di Fourier, spettro di potenza
— Confronto osservazioni-modelli: il concetto di bias
3. Evoluzione lineare delle perturbazioni di densità
— Teoria di Jeans in un mezzo in espansione: equazione di crescita nei casi relativistico e non relativistico
— Crescita delle fluttuazioni in un Universo puramente barionico
— Problemi dello scenario barionico: Silk damping
— Necessità della materia oscura
— Problemi di un modello a materia oscura calda (neutrini, HDM)
— Il modello a materia oscura fredda (CDM): l'effetto Meszaros
— Evoluzione dello spettro delle fluttuazioni e interpretazione delle osservazioni
— Velocità peculiari in regime lineare: redshift-space distortions
— Misura del tasso di crescita come test della Relatività Generale
4. Interazione barioni-radiazione alla superficie di ultimo scattering
— Richiami di CMB
— Origine dei picchi barionici (BAO) nello spettro della CMB: conseguenze per la distribuzione di galassie
— Scoperta dei BAO e loro uso come lunghezza standard per misurare la storia di espansione cosmica H(z)
5. Evoluzione non-lineare (cenni)
— Collasso sferico
— Teoria di Press-Schechter; ammassi di galassie come test cosmologico
— Cenni di teoria perturbativa lagrangiana; approssimazione di Zeldovich
— Stato attuale della cosmologia, il modello standard e le osservazioni a suo supporto
— Richiami dei concetti di base indispensabili da Cosmologia I e Astrofisica (Eqz. di Friedmann, metrica di RW, distanze in cosmologia, magnitudini, SED, masse stellari delle galassie, correzione K)
— Candele standard e la scoperta dell'espansione accelerata
2. La distribuzione delle galassie su grande scala
— Conteggi di galassie come test del modello cosmologico, funzioni di luminosità e problemi relativi
— Redshift surveys
— Varianza nei conteggi di galassie: statistiche a due punti (f. di correlazione e spettro di potenza 3D)
— Campo delle fluttuazioni di densità: scomposizione in componenti di Fourier, spettro di potenza
— Confronto osservazioni-modelli: il concetto di bias
3. Evoluzione lineare delle perturbazioni di densità
— Teoria di Jeans in un mezzo in espansione: equazione di crescita nei casi relativistico e non relativistico
— Crescita delle fluttuazioni in un Universo puramente barionico
— Problemi dello scenario barionico: Silk damping
— Necessità della materia oscura
— Problemi di un modello a materia oscura calda (neutrini, HDM)
— Il modello a materia oscura fredda (CDM): l'effetto Meszaros
— Evoluzione dello spettro delle fluttuazioni e interpretazione delle osservazioni
— Velocità peculiari in regime lineare: redshift-space distortions
— Misura del tasso di crescita come test della Relatività Generale
4. Interazione barioni-radiazione alla superficie di ultimo scattering
— Richiami di CMB
— Origine dei picchi barionici (BAO) nello spettro della CMB: conseguenze per la distribuzione di galassie
— Scoperta dei BAO e loro uso come lunghezza standard per misurare la storia di espansione cosmica H(z)
5. Evoluzione non-lineare (cenni)
— Collasso sferico
— Teoria di Press-Schechter; ammassi di galassie come test cosmologico
— Cenni di teoria perturbativa lagrangiana; approssimazione di Zeldovich
Prerequisiti
È utile aver frequentato i corsi di "Introduzione alla Relatività Generale" e "Cosmologia 1".
Metodi didattici
L'insegnamento prevede lezioni frontali in aula, con utilizzo della lavagna tradizionale.
Materiale di riferimento
- M. Longair, "Galaxy Formation", 3rd Edition, Cambridge University Press
- S. Dodelson & F. Schmidt, "Modern Cosmology" 2nd ed., Academic Press (la prima edizione di Dodelson va anche bene)
- Appunti, dispense e video su argomenti specifici, forniti dal docente
- S. Dodelson & F. Schmidt, "Modern Cosmology" 2nd ed., Academic Press (la prima edizione di Dodelson va anche bene)
- Appunti, dispense e video su argomenti specifici, forniti dal docente
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame è orale e ha una durata tipica di 40 minuti. L'esame mira a verificare l'acquisizione dei concetti e dei metodi fondanti della teoria di formazione delle strutture cosmiche e il suo collegamento con le quantità osservabili.
Siti didattici
Docente/i
Ricevimento:
Su prenotazione via email
Da stabilirsi (presso l'ufficio o via Zoom)