Fisica cosmica 1
A.A. 2020/2021
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di fornire agli studenti competenze teoriche nei campi relativi alla interazione radiazione-materia e alla fluidodinamica, con particolare applicazione all'Astrofisica. Verranno studiati diversi meccanismi di radiazione di interesse astrofisico, come la radiazione di dipolo, lo scattering Thomson e Compton, la bremsstrahlung, e i fondamenti del calcolo del trasporto radiativo. Inoltre, si studieranno i principi fondamentali delle equazioni fluide, discutendo diverse configurazioni di equilibrio relative all'astrofisica (come le sfere politropiche), fino ad una discussione dei fenomeni ondulatori e di instabilità, in particolare gravitazionale.
Risultati apprendimento attesi
Alla fine del corso lo studente saprà:
1. Riconoscere lo spettro e le caratteristiche di emissione dei più importanti processi radiativi in astrofisica.
2. Risolvere l'equazione del trasporto radiativo in semplici geometrie.
3. Applicare quando necessario le appropriate approssimazioni, come quella della diffusione radiativa.
4. Riconoscere e descrivere configurazioni di equilibrio idrostatico in contesti astrofisici.
5. Ricavare la relazone di dispersione per la propagazione di onde sonore e di onde dispersive.
6. Risolvere le equazioni che descrivono le onde d'urto.
7. Riconoscere i processi fluidi in atto nella dinamica di oggetti astronomici, come le stelle, il mezzo interstellare e il gas attorno ad oggetti compatti.
1. Riconoscere lo spettro e le caratteristiche di emissione dei più importanti processi radiativi in astrofisica.
2. Risolvere l'equazione del trasporto radiativo in semplici geometrie.
3. Applicare quando necessario le appropriate approssimazioni, come quella della diffusione radiativa.
4. Riconoscere e descrivere configurazioni di equilibrio idrostatico in contesti astrofisici.
5. Ricavare la relazone di dispersione per la propagazione di onde sonore e di onde dispersive.
6. Risolvere le equazioni che descrivono le onde d'urto.
7. Riconoscere i processi fluidi in atto nella dinamica di oggetti astronomici, come le stelle, il mezzo interstellare e il gas attorno ad oggetti compatti.
Periodo: Primo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento non può essere seguito come corso singolo. Puoi trovare gli insegnamenti disponibili consultando il catalogo corsi singoli.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
In caso di emergenza, le lezioni verranno erogate in modalita' sincrona tramite zoom, anche usando una lavagna virtuale. Le lezioni saranno registrate e rese disponibili sul sito Ariel del corso
Programma
-) Processi fisici di base
-) Interazione radiazione materia:
· Il campo elettromagnetico. Radiazione da cariche in moto: formula di Larmor, approssimazione di dipolo.
· Scattering Thomson, scattering Rayleigh.
· Radiazione di bremsstrahlung: spettro da carica singola, spettro da una popolazione termica di elettroni.
· Radiazione di ciclotrone e di sincrotrone. Effetto Compton e scattering Compton inverso.
· Coefficienti di emissione e assorbimento. Equazione del trasporto radiativo. La profondità ottica. Trasporto radiativo per piani paralleli: l'approssimazione di Rosseland.
· Radiazione di corpo nero. Teorema di Kirchhoff. I coefficienti di Einstein.
-) Astrofisica dei fluidi:
· Le equazioni fluide. Approccio Euleriano e Lagrangiano.
· Equazione di continuità, equazione di Eulero, equazione di stato. Equazione di Poisson. Equazione dell'energia.
· Equilibrio idrostatico: atmosfera isoterma, strato isotermo autogravitante, sfere politropiche, sfere di Bonnor-Ebert.
· Onde e instabilità nei fluidi: onde sonore, onde d'urto. Instabilità termica, instabilità gravitazionale. Cenni sulle instabilità di Rayleigh- Taylor e di Kelvin-Helmholtz.
· Fluidi viscosi: equazione di Navier-Stokes. Vorticita': teorema di Kelvin sulla vorticita'. Equazione di Helmholtz. Legge di Bernoulli.
· Turbolenza: cenni sulla teoria di Kolmogorov.
-) Interazione radiazione materia:
· Il campo elettromagnetico. Radiazione da cariche in moto: formula di Larmor, approssimazione di dipolo.
· Scattering Thomson, scattering Rayleigh.
· Radiazione di bremsstrahlung: spettro da carica singola, spettro da una popolazione termica di elettroni.
· Radiazione di ciclotrone e di sincrotrone. Effetto Compton e scattering Compton inverso.
· Coefficienti di emissione e assorbimento. Equazione del trasporto radiativo. La profondità ottica. Trasporto radiativo per piani paralleli: l'approssimazione di Rosseland.
· Radiazione di corpo nero. Teorema di Kirchhoff. I coefficienti di Einstein.
-) Astrofisica dei fluidi:
· Le equazioni fluide. Approccio Euleriano e Lagrangiano.
· Equazione di continuità, equazione di Eulero, equazione di stato. Equazione di Poisson. Equazione dell'energia.
· Equilibrio idrostatico: atmosfera isoterma, strato isotermo autogravitante, sfere politropiche, sfere di Bonnor-Ebert.
· Onde e instabilità nei fluidi: onde sonore, onde d'urto. Instabilità termica, instabilità gravitazionale. Cenni sulle instabilità di Rayleigh- Taylor e di Kelvin-Helmholtz.
· Fluidi viscosi: equazione di Navier-Stokes. Vorticita': teorema di Kelvin sulla vorticita'. Equazione di Helmholtz. Legge di Bernoulli.
· Turbolenza: cenni sulla teoria di Kolmogorov.
Prerequisiti
1. Conoscenze di base di meccanica (es. il problema a due corpi, le leggi di Keplero)
2. Conoscenze di basi di elettrodinamica (es. le equazioni di Maxwell)
3. Conoscenze di base di relatività ristretta (trasformazioni di Lorenz)
4. Strumenti di analisi matematica, in particolare soluzione di equazioni differenziali ad una e più variabili, e delle trasformate di Fourier.
2. Conoscenze di basi di elettrodinamica (es. le equazioni di Maxwell)
3. Conoscenze di base di relatività ristretta (trasformazioni di Lorenz)
4. Strumenti di analisi matematica, in particolare soluzione di equazioni differenziali ad una e più variabili, e delle trasformate di Fourier.
Metodi didattici
Lezioni frontali.
Materiale di riferimento
1) Rybicki-Lightman, "Radiative processes in Astrophysics", Wiley-Vch.
2) Clarke-Carswell, "Astrophysical Fluid Dynamics", Cambridge University Press.
2) Clarke-Carswell, "Astrophysical Fluid Dynamics", Cambridge University Press.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
l'esame consisterà in una discussione relativa ad entrambi gli argomenti affrontati nel corso (interazione radiazione-materia e fluidodinamica).
Docente/i