ASTROPHYSICAL PROCESSES
Anno accademico e docente
Non hai trovato la Scheda dell'insegnamento riferita a un anno accademico precedente?
Ecco come fare >>
- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- CRISTIANO GUIDORZI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- FIS/01
Obiettivi formativi
- Gli obiettivi del corso sono quelli di fornire una solida conoscenza e padronanza degli argomenti di fisica fondamentale che regolano molti processi astrofisici. Questi includono concetti di relatività speciale applicati all’astrofisica, trasporto radiativo, elettromagnetismo avanzato, processi radiativi, dinamica dei fluidi astrofisici e onde d’urto, effetti del plasma sulle onde elettromagnetiche, meccanismi di accelerazione di particelle. La conoscenza acquisita permetterà allo studente di gettare le fondamenta for studi maggiormente focalizzati sulla gran parte di argomenti della ricerca di punta nel campo dell’astrofisica delle alte energie e multimessaggera, così come anche di altri settori, come quello della dinamica dei fluidi e della fisica degli shock.
Questo corso tratta i principali processi radiativi in astrofisica che sono rilevanti nel campo dell’astrofisica delle alte energie e dei fenomeni esplosivi. A tal fine, vengono trattati concetti di elettromagnetismo avanzato, come la teoria di base dei campi di radiazione e l’irraggiamento di particelle in movimento. La fisica di base dei fenomeni esplosivi, che è fondamentale per molte classi di transienti astrofisici, viene trattata attraverso attraverso vari aspetti: la dinamica dei fluidi astrofisici, le condizioni di shock sia nel caso non-relativistico che relativistico, l’accelerazione di particelle e i meccanismi cosiddetti del primo e del second’ordine di Fermi.
Un altro argomento che è fondamentale nello studio dei transienti esplosivi è l’insieme degli effetti indotti dal plasma freddo sulle onde elettromagnetiche che lo attraversano.
Il corso mira ad assicurare che lo studente acquisisca il rigore formale e le abilità indispensabili per saper impostare e risolvere problemi relativi ai suddetti argomenti, dimostrando così la padronanza degli argomenti necessaria per intraprendere attività di ricerca in tali campi. Prerequisiti
- Il corso richiede familiarità con gli elementi basilari di relatività speciale, elettromagnetismo classico e la sua formulazione covariante, fisica generale, meccanica classica e meccanica quantistica, nozioni di base di astrofisica, in particolare elementi di struttura ed evoluzione stellare.
Contenuti del corso
- Argomenti principali: relatività speciale in astrofisica (4 ore). Trasporto radiativo (8 ore). Elettromagnetismo avanzato (10 ore). Processi radiativi (14 ore). Dinamica dei fluidi e shock (8 ore). Onde elettromagnetiche attraverso plasmi astrofisici (6 ore). Meccanismi di accelerazione di Fermi (4 ore).
Argomenti dettagliati: elementi di relatività speciale in astrofisica: effetto Doppler, aberrazione della luce, invarianza di Lorentz della funzione di distribuzione, intensità specifica. Trasporto radiativo: emissione spontanea e stimolata, assorbimento, equazione del trasporto radiativo, cammino libero medio, radiazione termica e di corpo nero, profondità ottica, coefficienti di Einstein. Elettromagnetismo avanzato: potenziali di Lienard-Wiechert, campi di velocità e di radiazione, radiazione da particelle cariche in movimento, formula di Larmor, approssimazione di dipolo, polarizzazione della radiazione e parametri di Stokes. Processi radiativi: scattering Thomson, bremsstrahlung, radiazione di sincrotrone, radiazione coerente di curvatura, scattering Compton e Compton inverso, Comptonizzazione ed equazione di Kompaneets, unitamente a molti esempi astrofisici. Equazioni fondamentali della dinamica dei fluidi per un fluido ideale in astrofisica: dinamica non relativistica e tensore degli sforzi; dinamica relativistica e tensore energia-sforzi. Condizioni di shock sia nel caso non relativistico (Rankine-Hugoniot) che relativistico (Taub). Soluzioni autosimili (Sedov-Taylor, Blandford-McKee). Onde elettromagnetiche attraverso plasmi astrofisici: misura di dispersione e rotazione di Faraday. Radiazione Cherenkov. Effetto Razin. Scattering causato da irregolarità dei plasmi attraversati. Meccanismi del primo e del second’ordine di Fermi nel contesto dell’accelerazione dei raggi cosmici. Metodi didattici
- Le lezioni frontali vengono svolte attraverso slides che il docente mette a disposizione su web subito dopo averle discusse a lezione. Durante le lezioni il docente ricava alla lavagna le varie grandezze in gioco e come si stimano in riferimento a esempi di problemi specifici legati a quanto visto nella teoria, a titolo di esempio di quelle che sono le tipiche domande che vengono poste in sede di esame. Gli studenti sono continuamente stimolati a contribuire con domande e risposte. In questo senso non soltanto lo studente acquisisce familiarità con le modalità di svolgimento e con i criteri di valutazione della prova orale, ma assiste durante tutto il corso a simulazioni verosimili di esame.
Modalità di verifica dell'apprendimento
- Durante le lezioni il docente occasionalmente assegna dei problemi di cui fornisce la soluzione numerica ma non il procedimento per sollecitare gli studenti a un lavoro di verifica della comprensione degli argomenti affrontati a lezione. Il docente è poi disponibile a fornire una soluzione dettagliata a richiesta. L'esame finale consiste in un'unica prova orale della durata tipica di 45-60 minuti e che vede assieme a qualche domanda di teoria di carattere generale anche la richiesta di risolvere alcuni semplici problemi, che verificano la capacità di applicare le conoscenze acquisite a problemi concreti. A tal fine, lo studente dovrà dimostrare di conoscere i valori di determinate costanti universali di cui si dovrà servire per poter stimare le grandezze astrofisiche richieste. L'esame mira a verificare la solidità delle conoscenze, l'abilità di saper fare collegamenti fra i vari argomenti, nonché il rigore formale necessario nel presentare ogni argomento.
Testi di riferimento
- Il docente mette a disposizione le proprie dispense e le proprie slides (in inglese). La bibliografia seguente consente di approfondire ogni argomento discusso.
1. H. Bradt, "Astrophysics Processes", Cambridge
2. G.B. Rybicki, A.P. Lightman, "Radiative Processes in Astrophysics", Wiley
3. M. Vietri, "Astrofisica delle Alte Energie", Bollati Boringhieri.
4. K. Thorne, R. Blandford, "Modern Classical Physics", Princeton.
5. M. Longair, "High Energy Astrophysics", Cambridge University Press.
6. G. Ghisellini, "Radiative Processes in High Energy Astrophysics", Springer.
7. S. Weinberg, "Lectures on Astrophysics", Cambridge University Press.
8. Burke, B.F., Graham-Smith, F.: An Introduction to Radio Astronomy. Third Edition. Cambridge University Press.
9. Marr, J.M., Snell, R.L., Kurtz, S.E.: Fundamentals of Radio Astronomy. Observational Methods. CRC Press, Taylor & Francis Group.
