Experimental and Multi-messenger Astrophysics

Periodo di svolgimento
Ore del corso
60
Ore dei docenti responsabili
60
Ore di didattica integrativa
0
‌‌

Modalità esame

Prova orale e relazione di seminario

Prerequisiti

Corsi della laurea triennale in Fisica

Programma

Verranno presentate alcune delle tecniche utilizzate al giorno d'oggi per osservare l'Universo su scale e epoche diverse. Verrà introdotta la storia termica dell’Universo e descritti i metodi di indagine del fondo cosmico di microonde, determinato dal processo di ricombinazione che segna l'inizio delle cosiddette "Epoche oscure" dell'Universo. Discuteremo come l'Universo esca da questa fase per mezzo del processo di "reionizzazione cosmica". In particolare, studieremo (i) come possiamo detereminare la fine di questo processo mediante spettri di assorbimento ottenuti puntando fonti luminose e distanti; (ii) quali sono le principali sorgenti responsabili della reionizzazione dell'Universo (ovvero galassie e buchi neri in fase di accrescimento).

Presenteremo quindi le tecniche di osservazione utilizzate per identificare e caratterizzare le prime galassie e i primi quasar che si sono formati dopo il Big Bang. Particolare enfasi sarà dedicata a dati osservativi ottenuti a varie lunghezze d'onda, tramite osservatori all'avanguardia (come ad esempio HST, ALMA e Chandra), e verranno proposte sessioni pratiche di analisi di dati reali ottenuti nell'ottico/vicino infrarosso, nel millimetrico e nei raggi X.

Si discuterà come spettri in assorbimento di quasar e di gamma ray burst osservati dall’ultravioletto al vicino infrarosso possono essere utilizzati per studiare l'abbondanza e la distribuzione del gas ionizzato, neutro e molecolare nell'universo ad alto redshift (z>~2).  Inoltre, si parlerà della formazione degli elementi chimici dalla nucleosintesi primordiale a quella stellare e di come lo studio osservativo della loro distribuzione e abbondanza nel gas diffuso permetta di porre dei vincoli su processi di formazione ed evoluzione galattica.  

Una sezione del corso verrà dedicata alla rivelazione dell'emissione non-termica da sorgenti astrofisiche e all'astronomia "multi-messenger". Verranno introdotti i metodi di rivelazione della radiazione non-termica, dei neutrini astrofisici, e delle onde gravitazionali con gli osservatori a terra a dallo spazio. Seguirà la descrizione dei risultati recenti, inquadrati nell'ambito dei modelli interpretativi dei processi di produzione ed emissione, fornendo un breve quadro sulle questioni ancora aperte.

Obiettivi formativi

-       Fornire un quadro dei metodi osservativi più largamente utilizzati in Cosmologia, Astrofisica e Astronomia “multi-messenger”.

-       Fornire un background teorico che consenta di comprendere i processi fisici alla base dei fenomeni osservati.

-       Sviluppare capacità di analisi dei dati tramite tutorials ed esercizi.

-       Stimolare gli studenti allo studio delle domande aperte più attuali in Astrofisica tramite le più avanzate tecniche osservative.

Riferimenti bibliografici

Bibliographic references will be given during the lessons, based on single articles, reviewes or chapters of books. 

General references on the first part of the course:

  Stephen Serjeant, "Observational Cosmology", Cambridge University Press

  Malcolm S. Longair, "Galaxy formation", Springer

  Bruce T. Draine, "Physics of the Interstellar and Intergalactic Medium", Princeton Series in Astrophysics

  Avery A. Meiksin, "The Physics of the Intergalactic Medium", 2009, Review of Modern Physics, vol. 81, p. 1405 (arXiv:0711.3358)

Becker, Bolton and Lidz, "Reionization and high-redshift galaxies: the view from quasar absorption lines", 2015, PASA 32, 45 (arXiv:1510.03368)
Peroux & Howk, "The Cosmic Baryon and Metal Cycle", 2020, ARA&A 58, 363 (arXiv:2011.01935)


General references and readings on the second part of the course:

  Hale Bradt, "Astrophysical processes", Cambridge University Press (an all-around manual; specifically useful chapters 5, 6, 7, 8, 9 and 4.5)

  Maurizio Spurio, "Particles and Astrophysics: a multi-messenger approach", Springer