Dinamica delle galassie
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento intende offrire una introduzione panoramica ad alcune importanti tematiche attuali che giocano un ruolo centrale nella cosiddetta "astrofisica extragalattica" e in particolare alle questioni che legano la dinamica delle galassie, per come puo' essere studiata nell'universo vicino, al problema della formazione ed evoluzione delle galassie in contesto cosmologico. L'insegnamento tratta inoltre alcune questioni fondamentali che legano la descrizione di sistemi complessi autogravitanti in astrofisica a altri campi interessanti, come la fisica dei plasmi.
L'obbiettivo principale e' quello di trasmettere i meriti di un approccio semiempirico allo studio e alla ricerca. A partire da una serie di ricchi e concreti esempi offerti dall'astrofisica extragalattica, lo studente imparera' a riconoscere che i problemi piu' interessanti, anche dal punto di vista teorico, sono identificati a partire da un quadro fenomenologico ampio e dettagliato (sulla base quindi delle moderne osservazioni astronomiche da terra e dallo spazio) e che ottimi risultati sull'astrofisica di sistemi complessi come le galassie derivano dalla formulazione rigorosa di interrogativi e di modelli relativamente semplici.
Il Modulo 1 e' principalmente dedicato allo studio di problemi e metodi di indagine relativi alle galassie a spirale.
L'obbiettivo principale e' quello di trasmettere i meriti di un approccio semiempirico allo studio e alla ricerca. A partire da una serie di ricchi e concreti esempi offerti dall'astrofisica extragalattica, lo studente imparera' a riconoscere che i problemi piu' interessanti, anche dal punto di vista teorico, sono identificati a partire da un quadro fenomenologico ampio e dettagliato (sulla base quindi delle moderne osservazioni astronomiche da terra e dallo spazio) e che ottimi risultati sull'astrofisica di sistemi complessi come le galassie derivano dalla formulazione rigorosa di interrogativi e di modelli relativamente semplici.
Il Modulo 1 e' principalmente dedicato allo studio di problemi e metodi di indagine relativi alle galassie a spirale.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine dell'insegnamento avra' acquisito le seguenti abilita':
Conoscera' le principali proprieta' strutturali e cinematiche, nonche' le principali leggi di scala, che caratterizzano le galassie. Con questa base empirica potra' intraprendere ricerca nell'ambito di studi di formazione e evoluzione delle galassie o ricerca in ambito cosmologico dove si usino le galassie come traccianti su grandissima scala.
Sapra' calcolare e valutare il tasso di collisionalita' per incontri stellari in vari contesti astrofisici, alcuni dei quali (per esempio ammassi globulari e nuclei galattici) di particolare interesse nell'astrofisica moderna.
Sapra' formulare modelli fluidi o cinetici per studiare varie questioni relative alla dinamica dei sistemi stellari e alcuni problemi di fisica del plasma.
Sapra' caratterizzare alcune proprieta' orbitali semplici (precessione, risonanze) in numerosi contesti, anche nell'ambito della meccanica celeste.
Con l'aiuto dello studio delle onde di densita' a spiegazione della struttura a spirale delle galassie sviluppato nell'insegnamento, sapra' calcolare varie proprieta' locali e globali di mezzi soggetti a onde dispersive, anche con applicazione alla fisica del plasma e all'idrodinamica.
In particolare potra' risolvere problemi in cui sia richiesto l'utilizzo della approssimazione nota come WKB.
Avra' acquisito una ricca quantita' di esempi che mettono in luce le proprieta' di equilibrio e i meccanismi di instabilita' in vari contesti dinamici.
Conoscera' le principali proprieta' strutturali e cinematiche, nonche' le principali leggi di scala, che caratterizzano le galassie. Con questa base empirica potra' intraprendere ricerca nell'ambito di studi di formazione e evoluzione delle galassie o ricerca in ambito cosmologico dove si usino le galassie come traccianti su grandissima scala.
Sapra' calcolare e valutare il tasso di collisionalita' per incontri stellari in vari contesti astrofisici, alcuni dei quali (per esempio ammassi globulari e nuclei galattici) di particolare interesse nell'astrofisica moderna.
Sapra' formulare modelli fluidi o cinetici per studiare varie questioni relative alla dinamica dei sistemi stellari e alcuni problemi di fisica del plasma.
Sapra' caratterizzare alcune proprieta' orbitali semplici (precessione, risonanze) in numerosi contesti, anche nell'ambito della meccanica celeste.
Con l'aiuto dello studio delle onde di densita' a spiegazione della struttura a spirale delle galassie sviluppato nell'insegnamento, sapra' calcolare varie proprieta' locali e globali di mezzi soggetti a onde dispersive, anche con applicazione alla fisica del plasma e all'idrodinamica.
In particolare potra' risolvere problemi in cui sia richiesto l'utilizzo della approssimazione nota come WKB.
Avra' acquisito una ricca quantita' di esempi che mettono in luce le proprieta' di equilibrio e i meccanismi di instabilita' in vari contesti dinamici.
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
L'insegnamento tratta argomenti scelti di astrofisica extragalattica, particolarmente quelli che collegano la dinamica a formazione ed evoluzione delle galassie. Tocca inoltre molte questioni fondamentali che collegano lo studio di sistemi autogravitanti complessi con altri campi, come la fisica dei plasmi e la dinamica dei fluidi.
Equilibrio e stabilita'. Il paradigma "equilibrio e stabilita'/simmetria e rottura di simmetria" alla base degli studi di evoluzione di galassie e altri sistemi fisici. Stabilita' dinamica, stabilita' dissipativa, modi normali: studio di due esempi semplici. (4 ore)
Elementi di dinamica stellare. Tempi di rilassamento per collisione stella-stella; l'attrito dinamico. Galassie come sistemi stellari non collisionali. Descrizione continua di sistemi stellari. L'equazione di Boltzmann non-collisionale e il problema della dinamica autoconsistente. Momenti dell'equazione di Boltzmann non-collisionale, equazioni fluide, equazioni viriali. Analogie con i plasmi elettromagnetici. (8 ore)
Galassie a spirale. Il problema della struttura a spirale; quattro scenari dinamici interpretativi in relazione a origine e persistenza della struttura su grande scala. Instabilita' di Jeans. Il parametro Q e autoregolazione. Onde di densità quasi-stazionarie: interpretazione in termini di modi globali discreti autogenerati, in formulazione WKB e nella formulazione di autostati di un'equazione del tipo di Schroedinger. (10 ore)
Ammassi globulari. Sfere quasi-isoterme troncate come modelli per gli ammassi globulari (modelli di King). Meriti, limiti, generalizzazioni dei modelli di King. Inclusione esplicita di maree, rotazione, anisotropia di pressione, segregazione di massa, equipartizione di energia. (10 ore)
Galassie ellittiche. Collasso non collisionale e rilassamento incompleto violento. Modelli dinamici e interpretazione fisica della struttura osservata delle galassie ellittiche brillanti. (10 ore)
Equilibrio e stabilita'. Il paradigma "equilibrio e stabilita'/simmetria e rottura di simmetria" alla base degli studi di evoluzione di galassie e altri sistemi fisici. Stabilita' dinamica, stabilita' dissipativa, modi normali: studio di due esempi semplici. (4 ore)
Elementi di dinamica stellare. Tempi di rilassamento per collisione stella-stella; l'attrito dinamico. Galassie come sistemi stellari non collisionali. Descrizione continua di sistemi stellari. L'equazione di Boltzmann non-collisionale e il problema della dinamica autoconsistente. Momenti dell'equazione di Boltzmann non-collisionale, equazioni fluide, equazioni viriali. Analogie con i plasmi elettromagnetici. (8 ore)
Galassie a spirale. Il problema della struttura a spirale; quattro scenari dinamici interpretativi in relazione a origine e persistenza della struttura su grande scala. Instabilita' di Jeans. Il parametro Q e autoregolazione. Onde di densità quasi-stazionarie: interpretazione in termini di modi globali discreti autogenerati, in formulazione WKB e nella formulazione di autostati di un'equazione del tipo di Schroedinger. (10 ore)
Ammassi globulari. Sfere quasi-isoterme troncate come modelli per gli ammassi globulari (modelli di King). Meriti, limiti, generalizzazioni dei modelli di King. Inclusione esplicita di maree, rotazione, anisotropia di pressione, segregazione di massa, equipartizione di energia. (10 ore)
Galassie ellittiche. Collasso non collisionale e rilassamento incompleto violento. Modelli dinamici e interpretazione fisica della struttura osservata delle galassie ellittiche brillanti. (10 ore)
Prerequisiti
E' preferibile, ma non necessaria, la conoscenza di nozioni elementari relative all'astronomia.
E' richiesta una buona conoscenza dei concetti e dei metodi che è ragionevole assumere siano stati introdotti nella Laurea Triennale, soprattutto in relazione a:
1. Meccanica Classica
2. Elettrodinamica Classica
3. Analisi Matematica
E' richiesta una buona conoscenza dei concetti e dei metodi che è ragionevole assumere siano stati introdotti nella Laurea Triennale, soprattutto in relazione a:
1. Meccanica Classica
2. Elettrodinamica Classica
3. Analisi Matematica
Metodi didattici
Modalita' di frequenza: fortemente consigliata.
Modalita' di erogazione: tradizionale, con l'aiuto di lavagna e appunti.
Modalita' di erogazione: tradizionale, con l'aiuto di lavagna e appunti.
Materiale di riferimento
G. Bertin "Dynamics of Galaxies", 2nd ed, Cambridge University Press, New York USA (2014)
G. Bertin, C.C. Lin "Spiral Structure in Galaxies: A Density Wave Theory", The MIT Press, Cambridge, MA USA (1996)
G. Bertin "Visible and Dark Matter in the Universe: A Short Primer on Astrophysical Dynamics", Cambridge University Press, Cambridge UK (2022)
G. Bertin, C.C. Lin "Spiral Structure in Galaxies: A Density Wave Theory", The MIT Press, Cambridge, MA USA (1996)
G. Bertin "Visible and Dark Matter in the Universe: A Short Primer on Astrophysical Dynamics", Cambridge University Press, Cambridge UK (2022)
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in una discussione orale che verte sugli argomenti trattati nell'insegnamento. Tipicamente l'orale dura 45 minuti e e' articolato in due domande, una di taglio fenomenologico e l'altra di taglio teorico-fondamentale. Nella valutazione dell'esame verra' dato particolare peso alla chiarezza acquisita sui concetti principali sviluppati nell'insegnamento.
Docente/i