MULTIMESSENGER ASTROPHYSICS
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- CRISTIANO GUIDORZI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- FIS/05
Obiettivi formativi
- La scoperta epocale della prima coalescenza di un sistema binario di stelle di neutroni nel 2017 attraverso sia le onde gravitazionali che elettromagnetiche ha suggellato la nascita della cosiddetta astronomia multimessaggera e ha aperto canali pressoché ancora inesplorati per studiare l’Universo. Questo corso affronta alcuni degli argomenti più caldi in questo nuovo settore. Particolare attenzione viene dedicata ad alcuni fra i transienti astrofisici più potenti, come i lampi di raggi gamma, i lampi radio veloci, le esplosioni di supernovae, così come le mutue connessioni. Questi fenomeni sono argomenti di punta della ricerca attuale. Interesse particolare è riservato alle classi di transienti che sono stati scoperti di recente in diverse finestre dello spettro elettromagnetico e/o attraverso la rivelazione di onde gravitazionali e/o di neutrini di alta energia. Queste sorgenti non sono solo interessanti per la fisica stessa che è alla base dei processi altamente energetici osservati (regime di gravità forte, implicazioni sull’evoluzione stellare, formazione di getti astrofisici, nucleosintesi stellare esplosiva e origine degli elementi, fisica degli shock relativistici, accelerazione di raggi cosmici), ma grazie alla loro eccezionale luminosità sono anche e soprattutto unici strumenti di esplorazione dell’Universo a diverse distanze cosmologiche, fino all’epoca della reionizzazione. Questi nuovi campi di ricerca sono in fibrillazione con scoperte sempre nuove e sono al centro dell’attenzione di comunità scientifiche internazionali. Il corso offre anche una rassegna degli esperimenti dedicati attuali e futuri. 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 i seguenti argomenti: relatività speciale e generale, elettromagnetismo classico, fisica generale, meccanica classica e quantistica, struttura ed evoluzione stellare, fisica statistica, trasporto radiativo e processi radiativi, dinamica dei fluidi astrofisici e onde d’urto, meccanismi di accelerazione di particelle.
Contenuti del corso
- Argomenti principali: classificazione e fisica di base delle supernovae (12 ore). Lampi di raggi gamma (12 ore). Onde gravitazionali da sistemi binari (12 ore). Lampi radio veloci (8 ore). Sorgenti di neutrini di alta energia (2 ore). Esperimenti correnti e futuri nel campo dell’astrofisica multimessaggera (8 ore).
Argomenti dettagliati: esplosioni stellari. Supernovae: idrodinamica di una SN. Classificazione osservativa e fisica. Supernovae termonucleari e core-collapse. Interpretazione e modellamento della curva di luce di una SN: fasi fotosferica e nebulare. Shock “break-out”. Supernovae superluminose (SLSNe): proprietà osservate e meccanismi proposti. Lampi di raggi gamma (ing. GRB): classificazione e interpretazioni. Problema della compattezza e prova di un flusso relativistico di materia espulsa. Afterglow di GRB e getti relativistici. Progenitori di GRB di lunga durata: core-collapse di stelle massive spogliate dell’inviluppo esterno di idrogeno. Progenitori di GRB di breve durata: coalescenza di sistemi binari di stelle di neutroni. Emissione di onde gravitazionali: sistemi binari di stelle di neutroni e la pulsar doppia di Hulse-Taylor. Onde gravitazionali di di sistemi binari coalescenti. Rivelazione di onde gravitazionali attraverso interferometri e risultati dai primi run degli esperimenti congiunti LIGO-Virgo. La prima coalescenza di un sistema binario di stelle di neutroni osservata con onde sia gravitazionali che elettromagnetiche: GW170817 e GRB170817A e la nascita dell’astronomia multimessaggera. Kilonova. Il nuovo fenomeno dei lampi veloci radio (ingl. FRB) assieme a diverse interpretazioni proposte. Neutrini cosmici di alta energia: scoperta di neutrini TeV-PeV da sorgenti extragalattiche poste a distanza cosmologica. Osservazioni multimessaggero di un blazar in eruzione coincidente con un neutrino di alta energia e implicazioni. Rassegna di esperimenti attuali e futuri nello studio multimessaggero del cielo transiente: mappature a largo campo e a grande cadenza in diverse finestre dello spettro elettromagnetico (ZTF; VRO -noto in precedenza come LSST-; SKA; CTA), interferometri gravitazionali attualmente operativi (LIGO-Virgo) e di generazione futura (2G, 3G), osservatori di neutrini di alta energia (IceCube ed esperimenti di generazione futura). 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. D. Branch, J.C. Wheeler, "Supernova Explosions", Springer.
3. S. Weinberg, "Lectures on Astrophysics", Cambridge University Press.
4. D. Arnett, "Supernovae and Nucleosynthesis", Princeton.
5. J. José, "Stellar Explosions - Hydrodynamics and Nucleosynthesis", CRC Press.
6. K. Thorne, R. Blandford, "Modern Classical Physics", Princeton.
7. M. Longair, "High Energy Astrophysics", Cambridge University Press.
8. G.B. Rybicki, A.P. Lightman, "Radiative Processes in Astrophysics", Wiley
9. M. Vietri, "Astrofisica delle Alte Energie", Bollati Boringhieri.
10. Articoli di review recenti e futuri pubblicati in riviste internazionali.
