HIGH ENERGY ASTROPHYSICS
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2019/2020
- Docente
- CRISTIANO GUIDORZI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- FIS/05
Obiettivi formativi
- Gli obiettivi del corso sono quelli di fornire una solida conoscenza e padronanza degli argomenti trattati, necessarie per approfondire tematiche della ricerca di frontiera dell'astrofisica delle alte energie.
Il corso fornisce conoscenze sui seguenti argomenti principali: i principali processi radiativi in astrofisica e la loro importanza nel campo dell'astrofisica delle alte energie. Si dedica particolare attenzione ad alcuni tra i piu' potenti oggetti astrofisici transienti, i quali giocano un ruolo cruciale nell'evoluzione dell'Universo, come le esplosioni di supernovae, di lampi di raggi gamma, di lampi veloci radio. Questi fenomeni esplosivi sono oggetto della ricerca di frontiera. Il corso presenta gli elementi della fisica che sta alla base di questi fenomeni, ponendo un'enfasi particolare alle scoperte recenti (come, ad esempio, la classe di supernovae cosiddette 'superluminose' per via della loro eccezionale luminosita', scoperta recentemente) e alle possibili interpretazioni. A tale fine, il corso presenta elementi di fluidodinamica astrofisica, le equazioni che regolano gli shock sia non-relativistici che relativistici. Quindi si passa allo studio delle onde elettromagnetiche che attraversano plasmi astrofisici, con attenzione alle implicazioni per i lampi veloci radio, scoperti solo di recente. Per finire, il corso discute il problema dell'accelerazione delle particelle in ambito astrofisico attraverso i meccanismi cosiddetti di Fermi del primo e del secondo ordine.
Il corso mira ad assicurare che lo studente acquisisca il rigore formale e le abilita' indispensabili per saper impostare e risolvere problemi relativi ai suddetti argomenti, dimostrando cosi' la padronanza degli argomenti necessaria per intraprendere attivita' di ricerca in tali campi. Prerequisiti
- Il corso richiede familiarita' con gli elementi basilari di relativita' speciale, elettromagnetismo classico, fisica generale, meccanica classica e meccanica quantistica, nonche' di fisica statistica. Elementi di teoria dell'evoluzione stellare e di stelle binarie sono consigliabili, anche se non essenziali.
Contenuti del corso
- Argomenti principali: trasporto radiativo (8 ore). Processi radiativi (12 ore). Dinamica dei fluidi astrofisici e condizioni di shock (8 ore). Supernove e lampi di raggi gamma (10 ore). Onde elettromagnetiche che attraversano plasmi astrofisici e i lampi veloci radio (8 ore). Meccanismi di accelerazione di Fermi (2 ore).
Argomenti dettagliati: compendio di relativita' speciale in astrofisica. Trasporto radiativo. Radiazione da particelle cariche in movimento, formula di Larmor, approssimazione di dipolo. Polarizzazione della radiazione. Processi radiativi: scattering Thomson, bremsstrahlung, radiazione di sincrotrone, scattering Compton e Compton inverso, con vari esempi astrofisici. Equazioni basilari della fluidodinamica in astrofisica. Condizioni di shock sia non relativistici (Rankine-Hugoniot) che relativistici (Taub). Soluzioni autosimili (Sedov-Taylor, Blandford-McKee). Esplosioni stellari. Supernovae: classificazione e interpretazioni. Lampi di raggi gamma: classificazione e interpretazioni. Onde elettromagnetiche che attraversano plasmi astrofisici. La misura di dispersione e la rotazione di Faraday. Il fenomeno nuovo dei lampi veloci radio e alcune possibili interpretazioni. Meccanismi di Fermi del primo e del secondo ordine riguardanti l'accelerazione di 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 solidita' delle conoscenze, l'abilita' di saper fare collegamenti fra i vari argomenti, nonche' 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) M. Longair, "High Energy Astrophysics", Cambridge University Press.
5) K. Thorne, R. Blandford, "Modern Classical Physics", Princeton
6) C.T. Russell, J.G. Luhmann, R.J. Strangeway, "Space Physics. An Introduction", Cambridge University Press (2017).
8) C. Grupen, "Astroparticle Physics", Springer
9) Burke, B.F., Graham-Smith, F.: An Introduction to Radio Astronomy. Third Edition. Cambridge University Press (2010).
10) Marr, J.M., Snell, R.L., Kurtz, S.E.: Fundamentals of Radio Astronomy. Observational Methods. CRC Press, Taylor & Francis Group (2015).
11) B. Ryden, "Introduction to Cosmology", 2nd Edition, Cambridge University Press (2017).
