Introduzione all'astrofisica
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento intende dare una panoramica su alcuni sviluppi dell'astrofisica moderna e particolare rilievo al ruolo che le misure svolgono nel progresso in astrofisica. Si tratta di un insegnamento integrato (ovvero tenuto da più docenti). Dopo una parte generale incentrata sul problema della materia oscura, una parte dell'insegnamento è dedicata a misure astrofisiche e concetti che coinvolgono oggetti compatti e buchi neri, una parte breve al contesto cosmologico, e un'altra a misure astrofisiche affini alla fisica delle particelle.
I principali centri di interesse dell'insegnamento nascono dalle seguenti domande di natura molto generale. In cosa consiste l'attività dell'astrofisico? Quali sono i risultati più interessanti dell'astrofisica moderna? Come si relaziona il progresso in astrofisica al progresso di strumentazione e tecnologia? L'insegnamento "Introduzione all'Astrofisica" cerca di dare una prima risposta a questi interrogativi. Il suo scopo è di offrire allo studente la possibilità di conoscere la mentalità dell'astrofisico e, attraverso esempi concreti importanti, un panorama di alcuni interessanti filoni dell'astrofisica moderna.
I principali centri di interesse dell'insegnamento nascono dalle seguenti domande di natura molto generale. In cosa consiste l'attività dell'astrofisico? Quali sono i risultati più interessanti dell'astrofisica moderna? Come si relaziona il progresso in astrofisica al progresso di strumentazione e tecnologia? L'insegnamento "Introduzione all'Astrofisica" cerca di dare una prima risposta a questi interrogativi. Il suo scopo è di offrire allo studente la possibilità di conoscere la mentalità dell'astrofisico e, attraverso esempi concreti importanti, un panorama di alcuni interessanti filoni dell'astrofisica moderna.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine dell'insegnamento avra' acquisito le seguenti abilita':
Conoscera' la terminologia, i maggiori risultati finora ottenuti e le principali iniziative tecnologiche e osservative in relazione alle principali aree di ricerca astronomica (ottico, radio, x, etc).
Sapra' formulare un modello dinamico utile a identificare e quantificare la eventuale presenza di materia oscura in contesti diversi (in particolare, galassie a spirale e ammassi di galassie).
Sara' in grado di interpretare e modellizzare, a grandi linee, fenomeni connessi alla presenza di buchi neri massicci e supermassicci.
Sara' in grado di valutare, a grandi linee, l'importanza dei principali settori di ricerca in ambito astroparticellare (neutrini solari e extrasolari, raggi cosmici, astrofisica gamma, ricerca di candidati per la materia oscura).
Conoscera' la terminologia, i maggiori risultati finora ottenuti e le principali iniziative tecnologiche e osservative in relazione alle principali aree di ricerca astronomica (ottico, radio, x, etc).
Sapra' formulare un modello dinamico utile a identificare e quantificare la eventuale presenza di materia oscura in contesti diversi (in particolare, galassie a spirale e ammassi di galassie).
Sara' in grado di interpretare e modellizzare, a grandi linee, fenomeni connessi alla presenza di buchi neri massicci e supermassicci.
Sara' in grado di valutare, a grandi linee, l'importanza dei principali settori di ricerca in ambito astroparticellare (neutrini solari e extrasolari, raggi cosmici, astrofisica gamma, ricerca di candidati per la materia oscura).
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
PARTE 1 (C. Grillo 24 ORE)
1.1 Sorgenti di informazione astronomica e nozioni generali sui processi fisici responsabili delle varie emissioni osservate. Radiazione elettromagnetica, particelle, onde gravitazionali.
1.2 Panoramica sul quadro astrofisico moderno. Il progresso astrofisico come confronto tra modelli e misure; ruolo delle "misure decisive". Osservazioni da terra e dallo spazio. Astronomia ottica. Radioastronomia. Astrofisica X e gamma. Neutrini. Fisica dello spazio. La scoperta delle galassie, come esempio chiave nell'astrofisica del ventesimo secolo e come ponte tra l'astrofisica dei sistemi astronomici su "piccola scala" e la cosmologia. Proprietà generali delle galassie; scale, dimensioni, e alcune relazioni fisiche.
1.3 Il problema della materia oscura. Come pesare le sorgenti di luce osservate ai telescopi. Il buco nero massiccio al centro della nostra Galassia. Il problema dello spessore del disco nella nostra Galassia.
1.4 Teorema del viriale e applicazione agli ammassi di galassie. Applicazione del modello di equilibrio idrostatico all'emissione X dagli ammassi.
1.5 Il problema della materia oscura nelle galassie a spirale. Curve di rotazione e loro decomposizione in contributi di disco e di alone.
1.6 Impatto cosmologico, lenti gravitazionali, brevissima introduzione a MOND (Modified Newtonian Dynamics).
1.7 Lo scenario cosmologico: Introduzione generale alle misure sperimentali. Hot Big Bang e la formazione delle strutture.
PARTE 2 (G. Lodato 12 ORE)
2.1 Buchi neri in astrofisica: descrizione matematica e proprieta' fisiche: massa e spin. Lunghezze scala tipiche. I buchi neri come sorgente di energia: efficienza e luminosita' di Eddington.
2.2 Buchi neri supermassicci nei nuclei delle galassie. Relazioni di scala. I Nuclei Galattici Attivi e loro fenomenologia.
2.3 Buchi neri di massa stellare. Binarie a raggi X: caratteristiche osservative. Transizioni di stato e QPO (Quasi-Periodic Oscillation).
2.4 Fenomeni transienti: onde gravitazionali e loro sorgenti. Distruzione mareale di stelle.
PARTE 3 (A. Re 12 ORE)
3.1 Strategie per la rivelazione di particelle di origine astrofisica. Neutrini, raggi gamma, raggi cosmici. Effetto Cerenkov e fluorescenza. Cenni ai principali tipi di rivelatore utilizzati. Fotomoltiplicatori, bolometri, rivelatori a stato solido.
3.2 Misure di neutrini solari e di neutrini da supernova. Richiamo dei problemi astrofisici che motivano queste misure. Obiettivi e risultati degli esperimenti sui neutrini (Gallex, Homestake, Superkamiokande, Borexino, SNO..).
3.3 Ricerca di particelle di materia oscura. Tecniche criogeniche e tecniche non-criogeniche. Obiettivi e risultati di alcuni esperimenti sulla materia oscura (DAMA, XENON, DarkSide..)
3.4 Misure di raggi cosmici di altissima energia con esperimenti da terra. Natura dei raggi cosmici; origine del "cutoff GZK". Obiettivi e risultati dell'esperimento AUGER. Misure di neutrini di altissima energia. Obiettivi e risultati dell'esperimento IceCube. La nascita dell'astronomia multi-messenger.
1.1 Sorgenti di informazione astronomica e nozioni generali sui processi fisici responsabili delle varie emissioni osservate. Radiazione elettromagnetica, particelle, onde gravitazionali.
1.2 Panoramica sul quadro astrofisico moderno. Il progresso astrofisico come confronto tra modelli e misure; ruolo delle "misure decisive". Osservazioni da terra e dallo spazio. Astronomia ottica. Radioastronomia. Astrofisica X e gamma. Neutrini. Fisica dello spazio. La scoperta delle galassie, come esempio chiave nell'astrofisica del ventesimo secolo e come ponte tra l'astrofisica dei sistemi astronomici su "piccola scala" e la cosmologia. Proprietà generali delle galassie; scale, dimensioni, e alcune relazioni fisiche.
1.3 Il problema della materia oscura. Come pesare le sorgenti di luce osservate ai telescopi. Il buco nero massiccio al centro della nostra Galassia. Il problema dello spessore del disco nella nostra Galassia.
1.4 Teorema del viriale e applicazione agli ammassi di galassie. Applicazione del modello di equilibrio idrostatico all'emissione X dagli ammassi.
1.5 Il problema della materia oscura nelle galassie a spirale. Curve di rotazione e loro decomposizione in contributi di disco e di alone.
1.6 Impatto cosmologico, lenti gravitazionali, brevissima introduzione a MOND (Modified Newtonian Dynamics).
1.7 Lo scenario cosmologico: Introduzione generale alle misure sperimentali. Hot Big Bang e la formazione delle strutture.
PARTE 2 (G. Lodato 12 ORE)
2.1 Buchi neri in astrofisica: descrizione matematica e proprieta' fisiche: massa e spin. Lunghezze scala tipiche. I buchi neri come sorgente di energia: efficienza e luminosita' di Eddington.
2.2 Buchi neri supermassicci nei nuclei delle galassie. Relazioni di scala. I Nuclei Galattici Attivi e loro fenomenologia.
2.3 Buchi neri di massa stellare. Binarie a raggi X: caratteristiche osservative. Transizioni di stato e QPO (Quasi-Periodic Oscillation).
2.4 Fenomeni transienti: onde gravitazionali e loro sorgenti. Distruzione mareale di stelle.
PARTE 3 (A. Re 12 ORE)
3.1 Strategie per la rivelazione di particelle di origine astrofisica. Neutrini, raggi gamma, raggi cosmici. Effetto Cerenkov e fluorescenza. Cenni ai principali tipi di rivelatore utilizzati. Fotomoltiplicatori, bolometri, rivelatori a stato solido.
3.2 Misure di neutrini solari e di neutrini da supernova. Richiamo dei problemi astrofisici che motivano queste misure. Obiettivi e risultati degli esperimenti sui neutrini (Gallex, Homestake, Superkamiokande, Borexino, SNO..).
3.3 Ricerca di particelle di materia oscura. Tecniche criogeniche e tecniche non-criogeniche. Obiettivi e risultati di alcuni esperimenti sulla materia oscura (DAMA, XENON, DarkSide..)
3.4 Misure di raggi cosmici di altissima energia con esperimenti da terra. Natura dei raggi cosmici; origine del "cutoff GZK". Obiettivi e risultati dell'esperimento AUGER. Misure di neutrini di altissima energia. Obiettivi e risultati dell'esperimento IceCube. La nascita dell'astronomia multi-messenger.
Prerequisiti
Nessuno in particolare. È sufficiente che lo studente abbia assimilato i concetti appresi nei primi anni dell'Università e che sia disponibile a applicarli in modo creativo anche al di fuori del quadro degli insegnamenti in cui i vari concetti di base vengono insegnati.
Metodi didattici
Modalità di frequenza: fortemente consigliata.
Modalità di erogazione: tradizionale, con l'aiuto di lavagna, appunti, proiezioni.
Modalità di erogazione: tradizionale, con l'aiuto di lavagna, appunti, proiezioni.
Materiale di riferimento
L'insegnamento ha un'impostazione nuova e non segue alcun libro di testo particolare. Per approfondire i temi generali trattati nell'insegnamento, si suggerisce la consultazione di:
G. Bertin, "Visible and Dark Matter in the Universe: A Short Primer on Astrophysical Dynamics", 1st ed., Cambridge University Press (2022)
J.M. Pasachoff, A. Filippenko "The Cosmos: Astronomy in the New Millennium", 5th ed., Cambridge University Press (2019)
H. Bradt "Astronomy Methods: A Physical Approach to Astronomical Observations", Cambridge University Press (2004)
C.R. Kitchin "Astrophysical Techniques", Institute of Physics Publishing, 4th ed. (2003)
G. Lodato "Appunti del corso di Introduzione all'Astrofisica: Buchi neri", https://astro.fisica.unimi.it/introduzione-allastrofisica/
A. Goobar, L. Bergstrom "Cosmology and Particle Astrophysics", Springer-Praxis Books, 2nd ed. (2004)
D. Perkins "Particle Astrophysics", Oxford University Press (2003)
G. Bertin, "Visible and Dark Matter in the Universe: A Short Primer on Astrophysical Dynamics", 1st ed., Cambridge University Press (2022)
J.M. Pasachoff, A. Filippenko "The Cosmos: Astronomy in the New Millennium", 5th ed., Cambridge University Press (2019)
H. Bradt "Astronomy Methods: A Physical Approach to Astronomical Observations", Cambridge University Press (2004)
C.R. Kitchin "Astrophysical Techniques", Institute of Physics Publishing, 4th ed. (2003)
G. Lodato "Appunti del corso di Introduzione all'Astrofisica: Buchi neri", https://astro.fisica.unimi.it/introduzione-allastrofisica/
A. Goobar, L. Bergstrom "Cosmology and Particle Astrophysics", Springer-Praxis Books, 2nd ed. (2004)
D. Perkins "Particle Astrophysics", Oxford University Press (2003)
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 ed è articolato in tre domande che coprono le tre parti principali dell'insegnamento.
FIS/05 - ASTRONOMIA E ASTROFISICA - CFU: 6
Lezioni: 48 ore
Siti didattici
Docente/i
Ricevimento:
Venerdì, 14:30-17:30 (su appuntamento)
Dipartimento di Fisica, via Giovanni Celoria, 16, 20133 Milano