Gruppo opzionale:
GRUPPO OPZIONALE ASTROPHYSICS 4 - II ANNO I SEM - (visualizza)
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EXTRAGALACTIC ASTRONOMY AND COSMOLOGY
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DEL POPOLO ANTONINO
( programma)
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
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Attività formative caratterizzanti
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COSMIC RAY PHYSICS
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CARUSO ROSSELLA
( programma)
0) Introduzione: contestualizzazione della Fisica dei Raggi Cosmici nell’ambito della Fisica Astroparticellare
La fisica astro-particellare: studio di nuovi messaggeri dall’Universo oltre il visibile. Domande fondamentali della fisica astro-particellare e campi di ricerca. L’approccio “Multimessanger”: osservazioni tramite particelle cariche, (raggi cosmici), neutrini, fotoni e onde gravitazionali di alta energia. Studio dell’emissione non termica di alta energia (particelle cariche, fotoni,neutrini) da sorgenti astrofisiche: intervalli energetici, flussi, ipotetici meccanismi di produzione. Interazione della radiazione cosmica e trasparenza dell’Universo. Rivelatori per la radiazione cosmica. La fisica astro-particellare in Italia: il ruolo della Commissione Scientifica Nazionale 2 dell’INFN.
1) La scoperta dei “Raggi Cosmici” o “Radiazione cosmica”: percorso storico
I raggi cosmici: particelle cariche, messaggeri del Cosmo, lo spazio come Laboratorio, l’atmosfera terrestre come rivelatore. Generalità, definizioni econvenzioni sulle unità di misura (l’uso dell’eV). Perché studiare i raggi cosmici. Storia della scoperta dei raggi cosmici: la ionizzazione atmosferica e l’uso dell’elettroscopio a foglie; l’esperimento di Padre Wulf, la scoperta di Victor Hess della radiazione cosmica e il Premio Nobel, le ricerche e gli studi di Pacini, la campagna di voli di Kolhorster, le misure di Millikan, l’uso della camera a nebbia nelle esperienze di Skobeltzyn, Anderson e la scoperta del positrone, Blackett e Occhialini e le tracce di particelle nella radiazione cosmica, la scoperta del muone e la nascita della fisica delle particelle elementari.Esperimenti sugli effetti del campo magnetico terrestre sui raggi cosmici: l’effetto di latitudine geomagnetica. Studi e misure sull’asimmetria nella distribuzione angolare del flusso dei raggi cosmici rispetto al piano del meridiano geomagnetico: l’effetto EST-OVEST. Bruno Rossi e la prima osservazione degli “Sciami Estesi” di particelle. Le prime misure degli sciami con matrici (array) di contatori Geiger-Muller: la stazione Pamir di G. Zatsepin.La scoperta degli Sciami Estesi in Aria (Extensive Air Showers o EAS) di Pierre Auger. Il Gruppo dei Raggi Cosmici di Bruno Rossi al MIT (USA) e le misure con l’array Agassiz. La tecnica del “sampling density” e del “fast timing” di Bruno Rossi. L’esperimento “Desert Queen” a VolcanoRanch di J.Linsley e L. Scarsi: uso di scintillatori+ fotomoltiplicatori in rivelatori di superficie; risultati scientifici. La tecnica dei rivelatori di superficie con rivelatori Cherenkov e le prime misure:Haverah Park. Gli esperimenti Yakutsk eAGASA. La scoperta del Cosmic Wave Background (CMB) di Penzias e Wilson. L’ipotesi di interazione dei raggi comisci con il CMB o “interazione GZK” di Greisen, Zatsepin e Kuzmin. La tecnica dei rivelatori di fluorescenza e i primi esperimenti: Fly’sEye e HiRes. Scoperta del limite GZK. La discrepanza esistente tra gli spettri energetici misurati dai passati esperimenti HiRes e AGASA. Lo stato dell’arte preambolo alla nascita dell’Osservatorio Pierre Auger.
2) Elementi di Fisica dei Raggi Cosmici: generalità, processi di origine, accelerazione e propagazione dei Raggi Cosmici primari
Proprietà generali dei Raggi Cosmici: classificazione dei raggi cosmici in base all’energia e convenzioni. Raggi cosmici primari e secondari. Grandezze osservabili: intensità direzionale e flusso di particelle, spettro energetico differenziale e integrale. Lo spettro energetico dei raggi cosmici;flusso di particelle e intervalli energetici, andamento e caratteristiche, le strutture del “ginocchio” e della “caviglia”. La composizione chimica dei raggi cosmici di origine galattica: l’effetto pari/dispari. Meccanismo di confinamento dei raggicosmici nella Galassia: distanza percorsa e tempo di confinamento. Densità dei raggi cosmici di origine galattica. I processi di accelerazione dei raggi cosmici: il diagramma di Hillas. I processi di accelerazione per energie tra (10^9 - 10^11 eV): il meccanismo di Fermi al I ordine e al II ordine; siti astrofisici in cui si realizza il meccanismo di Fermi al I ordine. I processi di accelerazione per energie maggiori di 10^14 eV. I processi di accelerazione per energie tra 10^18 e 10^21 eV: problematiche. Origine dei raggi cosmici: per energie basse (E 10^19 eV)origine extra-galattica; per energie estreme (10^19 eV
3) Sciami Estesi in Aria (Extensive Air Showers o EAS)
Il fenomeno degli Sciami Estesi in Aria (EAS): generalità, definizioni e caratteristiche; le prime misure, la scoperta nel 1938 di Pierre Auger, i primi rivelatori per la loro rivelazione. Le componenti di un EAS: componenti adronica ed elettromagnetica (soft) dello sciame, la componente muonica (hard) dello sciame, la produzione di luce Cherenkov e la produzione di luce di Fluorescenza nello sviluppo di uno sciame in atmosfera. La grandezza fisica “profondità atmosferica”..Definizione di sviluppo o profilo laterale e di sviluppo o profilo longitudinale di uno Sciame Esteso in Aria. Teoria degli Sciami Estesi in Aria. I meccanismi concorrenti di produzione di particelle nella cascata elettromagnetica: processo di bremsstrahlung, creazione di coppie e diffusione Compton. Trattazione semplificata delle cascate elettromagnetiche: il modello di Heitler (1944), le ipotesi del modello, parametri e grandezze caratteristiche.I meccanismi concorrenti di produzione di particelle nella cascata adronica: spallazione nucleare o meccanismo di prima interazione e processi secondari. Trattazione semplificata delle cascate adroniche: il modello di Sovrapposizione, le ipotesi del modello, parametri e grandezze caratteristiche.
4) Misure di Raggi Cosmici Primari per E
Analisi delle caratteristiche tecniche e progettuali dei principali esperimenti per la rivelazione diretta dei raggi cosmici. Misure dirette per raggi cosmici di bassa energia (E
5) Misure di Raggi Cosmici Primariper E10^15 eV (misure indirette): uso dei Rivelatori di Superficie
Analisi delle caratteristiche tecniche e progettuali dei principali esperimenti per la rivelazione indiretta dei raggi cosmici primari mediante la rivelazione a terra o nello spazio degli Sciami Estesi in Aria per raggi cosmici primari di E 10^15 eV fino a energie estreme (Earray) di rivelatori di superficie. I principali esperimenti con l’uso dei rivelatori di superficie: Volcano Ranch, Haverah Park, SUGAR, Yakutsk , AGASA. Proprietà dell’array AGASA e risultatisperimentali: spettro energetico, anisotropia nelle direzioni di arrivo. Processo step-by-step di ricostruzione dalle osservabili fisiche a terra alle grandezze caratteristiche dei primari: direzione diarrivo, energia e composizione chimicadel primario. Schematizzazione dell’EAS (fronte piano): asse dello sciame, punto diimpatto a terra(core). Misura della direzione di arrivo dell’ assedello sciame: dai tempi di arrivo ai rivelatori. Ricerca del core: densità di particelle e metodo del baricentro.Determinazione della dimensione (size) dello sciame: profilo laterale e parametrizzazione NKG. Dal numero di particelle cariche in funzione della distanza dall’asse dello sciame al numero di particelle in corrispondenza della profondità atmosferica massima: il metodo dei "tagli a intensità costanti". Determinazione dell’energia del primario: il parametro densità a 600 m. Determinazione della composizione chimica: il confronto con i modelli e risultati simulazione Montecarlo. Trattazione delle incertezze statistiche e sistematiche.
6)Misure di Raggi Cosmici Primariper E10^17 eV (misure indirette): uso dei Rivelatori di Fluorescenza
L’emissione di luce Cherenkov in atmosfera nello sviluppo dello sciame. Il fenomeno dell’emissione di luce di fluorescenza in atmosfera nello sviluppo dello sciame. Confronto tra emissione di luce Cherenkov e di fluorescenza. Lo spettro diluce di fluorescenza in azoto: la resa luminosa di fluorescenza ed efficienza di emissione.Le misure in laboratorio: dalleprime misure di Bunner(1964), a Kakimotoet all. (1996) all’esperimento attuale AirFly. Fenomeni di attenuazione in atmosfera dellaluce di fluorescenza: diffusione elastica Rayleigh e anelastica Raman, diffusione Mie elastica sugli aerosols e assorbimento su ossigeno. ll segnale luminoso di fondo: brillantezza intrinseca del cielo notturno (Night Sky Background) e rumore elettronico. L’uso dei rivelatori di fluorescenza: telescopi di fluorescenza e matrici di telescopi. Definizioni e caratteristichedei telescopi di fluorescenza, la tecnica a “occhio di mosca”. I principali esperimenti con l’uso dei rivelatori di fluorescenza: Fly’s Eye, HiREs1 e HiRes2. Proprietà dell’esperimento HiRes2 e risultatiscientifici: spettro energetico, anisotropianelle direzioni di arrivo. Processo step-by-step di ricostruzione eanalisi dati dalle osservabili fisiche in atmosfera alle grandezze caratteristiche: direzione diarrivo, energia e composizione chimicadel primario. Schematizzazione dell’EAS (fronte piano): piano sciame-rivelatore, parametro di impatto, angolo di impatto a terra. Misura della geometria dello sciame: dai tempi di arrivo sui fotomoltiplicatori inmodalità monoculare, stereo e ibrida (fit temporale). Misura dello sviluppo longitudinale: dai fotoni sui fotomoltiplicatori al numero di particelle cariche in funzione della profondità atmosferica: la parametrizzazione Gaisser-Hillas. Sottrazione dei contributi di luce Cherenkov diretta ediffusa Rayleigh e Mie, valutazionedell’attenuazione atmosferica. Misura dell’energia del primario: una misura “quasi” calorimetrica, stima dell’energia “invisibile”. Misura della composizione in massa: dalla profondità atmosferica massima alla "elongation rate” e suo “RMS”. Trattazione delle incertezze statistiche e sistematiche .
7) La tecnica ibrida di osservazione degli Sciami Estesi in Aria
La tecnica “ibrida” per la rivelazione degli Sciami Estesi in Aria: l’uso congiunto di rivelatori di superficie (SD) e di fluorescenza (FD). Duty-cycle dei rivelatori. Ricostruzione tridimensionale dello sciame: profili longitudinale e laterale. Vantaggi della tecnica ibrida: l’indipendenza dai modelli Montecarlo. La calibrazione incrociata ometodo dell’intercalibrazione SD-FD per la ricostruzione dell’energia del primario: il set di “golden events” e il fit SD-FD. Trattazione degli errori statistici e sistematici nella procedura di inter-calibrazione.
8) L’Osservatorio Pierre Auger
L’Osservatorio Pierre Auger (PAO) per la rivelazione di raggi cosmici di energia ultra elevata (UHECRs): tecniche, prestazioni e risultati scientifici. La Collaborazione internazionale Pierre Auger. Il sito del PAO in Argentina: caratteristiche e peculiarità.Il nucleo prototipo: l’Engineering Array. I rivelatori di superficie ad acqua Cherenkov (SD) e i telescopi di fluorescenza, proprietà strutturali e caratteristiche tecniche.L’elettronica di interfaccia (Front-End) e acquisizione dati (DAQ) per SD e FD. I trigger di vario livello per l’SD. Il trigger di I e II livello HW e il trigger di III livello SW per l’FD. Tecniche di calibrazione dell’SD.Calibrazione relativa e assoluta dell’FD. Il monitoring on-line dei rivelatori (SD e FD). Lo Slow-Control dei rivelatori (SD e FD). Il sistema di telecomunicazioni. Il sistema di immagazzinamento e archivio dati e la trasmissione al resto del mondo (repository). Strumenti di monitoraggio atmosferico: monitoraggio meteo (controllo temperatura, umidità e pressione); monitoraggio della copertura nuvolosa conle camere a infrarossi; monitoraggio della concentrazione degli aerosols in atmosfera: la tecnica LASER (CLF), LIDAR e LIDAR Raman; monitoraggio dei parametri dell’atmosfera: stazione lancio palloni. Potenziamenti (rivelatori InFill, AMIGA, HEAT) del PAO e progetti R&D (AERA, EASIER,AMBER, MIDAS) per la rivelazione degli EAS mediante la tecnica radio nei GHz emicroonde. L’upgrade del PAO: il progetto AUGERPRIME. I set di dati del PAO e gli estimatori in energia per l’inter-calibrazione. Calcolo dell'esposizione e prestazioni (risoluzioniangolare ed energetica) del PAO. La scala assoluta in energia. Trattazione e calcolo degli errori statistici e sistematici nella ricostruzione degli eventi e determinazione delle grandezze fisiche(spettro energetico, direzioni di arrivo ecomposizione chimica). Risultati scientifici: lo spettro energetico e il GZK cut-off; la direzione di arrivo dei primari e l’anisotropia su piccola, media e grande scala; la composizione chimica e l’origine galattica-extra-galattica dei primari; la ricerca difotoni di energia ultra-elevata, limitisuperiori al loro flusso e confronto conmodelli teorici, la ricerca di neutrini di energiaultra-elevata, limiti superiori al flussoe il confronto con modelli teorici. Tecnica di ricostruzione degli eventi emetodologie di analisi dati per ladeterminazione delle grandezze suddette: itagli nelle analisi e simulazioni Montecarlo. Analisi critica dei risultati e il caso scientifico attuale. Descrizione dell’esperimento concorrente(Telescope Array) nell’emisfero Nord econfronto dei risultati scientifici. Il futuro nella rivelazione dei raggi cosmici di energia ultra-elevata: rivelazione indiretta degli EAS dallo spazio, la missione JEM-EUSO.
T. Stanev"High Energy Cosmic Rays",Springer (Berlin, 2004)
M.S. Longair“High Energy Astrophysics” Cambridge University Press (Cambridge, 1990)
T.K. Gaisser"Cosmic Rays and Particle Physics",Cambridge University Press (Cambridge, 1990)
D. Perkins"Particle Astrophysics",Oxford University Press (Oxford, 2003)
Dr. Peter K.F. Grieder "Extensive Air Showers - High Energy Phenomena and Astrophysical Aspects A Tutorial, Reference Manual and Data Book" - Volume 1 & Volume 2 (Springer Verlag Berlin Heidelberg 2010)
A. De Angelis, M.Pimenta "Introduction to Particle and Astroparticle Physics - Multimessenger Astronomy and its Particle Physics Foundations" -Springer (1st edition, 2015)
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