1015698 - EXTRAGALACTIC ASTRONOMY AND COSMOLOGY

ASTRONOMIA EXTRA-GALATTICA E COSMOLOGIA e' un corso della laura magistrale in Fisica pensato per fornire una introduzione all'astronomia extra-galattica e alla cosmologia.

Il corso fornisce un background di astronomia extragalattica e cosmologia moderna. Dopo una overview delle proprieta' delle galassie, ammassi, struttura a larga scala dell'universo, il corso presentera' una descrizione della cosmologia newtoniana e relativistica e della formazione di struttura in un universo in espansione accelerata (dominato da materia ed energia oscura).

 

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Classica e Moderna, anche in campi interdisciplinari.
• Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca in Fisica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:

• Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste.
• Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute a problemi nuovi (problem solving).
• Capacità di utilizzo di strumenti di calcolo matematico analitico e numerico e delle tecnologie informatiche, incluso lo sviluppo di programmi software

Autonomia di giudizio:

• Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro.

 

Abilità comunicative:

• Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica.
• Capacità di presentare una propria attività di ricerca o di rassegna a un pubblico di specialisti o di non addetti ai lavori.

Capacità di apprendimento:

• Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze.
• Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo prescelto che in campi scientificamente vicini.
• Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca.

Lezioni frontali, esercizi, esame a meta' corso, esame finale

Sono richieste la conoscenza del calcolo differenziale, la fisica I, II, meccanica statistica, i principali processi astrofisici ed una familiarita' generale con i principi e la nomenclatura astronomica che si assume siano stati appresi nel corso di astronomia generale. Il corso non richiede la conoscenza della relativita' generale. Onde necessario, i concetti base verrano introdotti.

La frequenza al corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi)

1. Galassie, Generalita'

Dibattito Shapley-Curtis. Classificazione delle galassie.

Diagramma a forchetta di Hubble. Variazione delle caratteristiche fisiche delle galassie nel diagramma di Hubble. Classificazione a pettine (Atlas3D).

 

Proprieta' della galassie spirali. Correzione K e della brillanza del background. Profilo di Sersic e de Vacouleurs. Curve di rotazioni. Materia Oscura. Teorema del Viriale e applicazioni. Relazione di Tully Fisher.

Relazione raggio-luminosita', masse, rapporto M/L, colori ed abbondanza di gas e polveri, gradienti di metallicita' e colori nelle spirali. Relazione massa BH e dispersione delle velocita'. Frequenza ammassi globulari. Struttura a spirale e teoria di Lin-Shu.

 

Galassie ellittiche: morfologia, relazioni di scala (Faber-Jackson; Piano Fondamentale). Colori ed abbondanza di gas e polveri, gradienti di metallicita' e colori nelle ellittiche. Effetti della presenza ed assenza di rotazione

 

 

2. Formazione, Dinamica ed evoluzione galattica

 

Sistemi non collisionali e tempo di rilassamento. La funzione di distribuzione. Equazione di Boltzman e di Jeans. Esempi: sfera isoterma. Densita', massa, velicita' dalla fotometria. Potenziale gravitazionale di sistemi semplici.

 

Evoluzione galattica Interazione tra galassie: evidenza delle interazioni. Frizione dinamica. Incontri rapidi; approssimazione dell'impulso. Simulazioni delle interazioni. Galassia Starbursts. Mergers in ellittiche e cD. Merger di buchi neri. Formazione galattica: modello ELS. Problemi col modello ELS. Problema delle nane-G. Modello di collasso dissipativo. 

Modello di formazione gerarchica. Formazione della MW nel modello gerarchico. Formazione delle galassie ellittiche. Formazione galattica nell'universo primordiale. Relazione morfologia-distanza, Effetto Butcher-Oemler.

Formazione di strutture nel modello ΛCDM. Breve storia dell'universo. Perturbazioni di densita'. Crescita lineare e non lineare delle perturbazioni. Problemi del modello ΛCDM (galaxy down-sizing; cusp-core problem; missing satellite problem; too-big-to-fail problem). Feedback di SN e AGN.

 

 

3. Nuclei galattici attivi. Galassie di Seyfert. Spettro degli AGN. Emissione X, termica (IR), radio (radiazione di sincrotone). Quasars: scoperta, luminosita'.

 

Spettro dei quasars. QSRs e QSOs. ULIRGs. Evoluzione dei quasars. Varabilita', polarizzazione dell'emissione, classi FRIe FRII. Blazars, LINERs. Radio galassie: struttura, lobi, jets, moti superluminali,

Modello unificato dei quasars: la natura del motore centrale, produzione energia, Accrezione e luminosita', struttura del disco di accrescimento, generazione dei getti (maccanismo di Blandford-Znajek), broad e wide line regions. Radio lobi e getti: formazione dei getti e dei lobi. Accelerazione delle partice. Accelerazione delle particelle nei getti. Velocita' superluminali, modello di Rees. One sided jets ed effetti relativistici. Evoluzione degli AGN. Quasars come probe dell'universo. Lensing. Lyman α Forest.

 

 

4. Buchi neri

Principio di equivalenza e GR. Tests della GR. Buchi neri stellari, di mass intermedia e supermassici. Buchi neri nella GR. Geomtria di Schwarzschild e Kerr. Orbite e stabilita'. Effetti osservabili. Quantum gravity e radiazione di Hawking. Evidenze dell'esistenza dei BHs. Dinamica stellare e moti di particelle di test (es., Stella S2). Megamasers di H2O. Dinamica del gas..

 

 

5. La scala delle distanza cosmiche ed i suoi gradini.

Cenni storici alla dterminazione delle distanze e delle dimensioni degli oggeti del sistema solare (Rung 1: Terra; Rung 2: Luna; Rung 3: Sole; Rung 4: i pianeti; Rung 5: velocita' della luce; Rung 6: stelle vicine: parallassi; parallassi statistiche e secolari; Rung 7: stelle a distanza intermedia: parallassi spettroscopiche (main sequence fitting). Rung 8: stelle distanti: Cefeidi; effetto Wilson-Bappu; metodi basati sulle supernovae; Novae. Indicatori secondari: Ammassi globulari; Nebulose planetarie; regioni HII; metodo delle fluttuazione di brillanza superficiale; Tully-Fisher; Faber-Jackson; D-σ; galassie piu' brillanti in un ammasso; Rung 9: legge di Hubble, costante di Hubble e suo valore. Espansione dell'universo e flusso di Hubble. Redshift cosmologico vs. doppler.

 

 

6. Struttura a larga scala

Gerarchia delle strutture cosmiche. Ammassi: classificazione ed esempi (ammasso della Vergine, Coma). Plasma negli ammassi. Bremsstrahlung. Equilibrio idrostatico e massa. Sottostruttura. Effetto Sunnyaev-Zeldovich. Massa viriale e DM. Il gruppo locale ed altri gruppi in 10 Mpcs. Campi di velocita' su larga scala. Velocita' peculiari. Dipolo CMBR. Infall verso Virgo e moti verso Hidra-Centauro, e la concenrazione di Shapley. Grande attrattore. Redshif surveys (2dF; SDSS; CfA). Superclusters: il supercluster  locale e superclusters vicini. Stuttura della LSS (ammassi, superammassi, voids, filamenti). Metodi di quantificazione della LSS: funzione di correlazione di due punti, spettro. Galaxy biasing, evoluzione del clustering.

7. Cosmologia Newtoniana

 

Il paradosso di Olbers. Il principio cosmologico. Modello di universi di polvere (senza pressione) e sua evoluzione. Età di un universo di polvere. Lookback time. Estensione del modello di polvere ad includere la pressione. La radiazione di fondo a microonde (CMB). Teoria dello stato stazionario. Raffreddamento dell’universo dopo il Big Bang. Scoperta della CMB. Anisotropia di dipolo della CMB. Effetto Sunyaev-Zel’dovich. Effetto Sachs-Wolfe. Armoniche cosmiche e oscillazioni acustiche. Un modello semplice delle oscillazioni acustiche. Spettro TT della CMB. Polarizazione della CMB. BAOs. Universo con due componenti materiali: materia (barioni e DM), particelle relativistiche. Disaccoppiamento dei neutrini. Densita’ di energia delle particelle relativistiche. Transizione da era della radiazione a era della materia. Evoluzione del modello a due componenti. Nucluosintesi e origine della CMB. Superficie di ultimo scattering.

 

8. Cosmologia Relativistica

 

La geometria euclidea, ellittica ed iperbolica. Metrica di Robertson-Walker. Equazioni di Friedman. La costante cosmologica e l’energia oscura. L’era di Λ. Cosmologia Osservativa. L’origine del redshift cosmologico. Distanza di oggetti remoti nell’universo. Orizonte della particella e distance horizon. Tempo di arrivo dei fotoni. Massima eta’ di una sorgente visibile. Coordinate comoventi. Distanza propria e di luminosità. Relazione redshift- magnitudine. Distanza del diametro angolare.

 

L’Universo primordiale

Very early universe ed inflazione. HDM e CDM. Scala di Planck di masse, tempi e distanze. Unificazione e rottura spontanea di simmetria. Problemi della teoria standard del Big Bang. Particelle virtuali ed energia del vuoto. Problema della costante cosmologica. Soluzioni ai problemi della teoria standard del Big Bang. Asimmetria materia antimateria. La CMB e il decoupling di materia e radiazione. Origine delle strutture cosmiche. Fluttuazioni di densità adiabatiche e isoterme. Massa di Jeans nelle varie epoche cosmologiche. Oscillazioni acustiche e loro damping. Timing della formazione delle strutture. I modelli top down e bottom up di formazione di struttura.

 

Testi di riferimento

Bradley W. Carrol, Dale A. Ostlie,An introduction to modern astrophysics

P. Schneider Extragalactic Astronomy and Cosmology. An Introduction. Springer

M. Longair Galaxy Formation Springer

M. Roos, Introduction to Cosmology, third edition

J. V. Narlikar, An Introduction to Cosmology 3rd Edition

 

J. Binney & S. Tremaine Galactic Dynamics Princeton University Press

Esame orale a meta' corso ed esame orale finale sul materiale trattato nel corso

Vedi Bradley, Carrol. Ostley (An introduction to modern astrophysics): Esercizi e Domande