Astrofisica teorica 2

A.A. 2021/2022
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/05
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il Corso intende offrire una introduzione panoramica ad alcune importanti tematiche attuali che giocano un ruolo centrale nella cosiddetta "astrofisica extragalattica" e in particolare alle questioni che legano la dinamica delle galassie, per come puo' essere studiata nell'universo vicino, al problema della formazione ed evoluzione delle galassie in contesto cosmologico. Il Corso tratta inoltre alcune questioni fondamentali che legano la descrizione di sistemi complessi autogravitanti in astrofisica a altri campi interessanti, come la fisica dei plasmi.
L'obbiettivo principale e' quello di trasmettere i meriti di un approccio semiempirico allo studio e alla ricerca. A partire da una serie di ricchi e concreti esempi offerti dall'astrofisica extragalattica, lo studente imparera' a riconoscere che i problemi piu' interessanti, anche dal punto di vista teorico, sono identificati a partire da un quadro fenomenologico ampio e dettagliato (sulla base quindi delle moderne osservazioni astronomiche da terra e dallo spazio) e che ottimi risultati sull'astrofisica di sistemi complessi come le galassie derivano dalla formulazione rigorosa di interrogativi e di modelli relativamente semplici.
Il Modulo 2 e' principalmente dedicato allo studio di problemi e metodi di indagine relativi agli ammassi globulari e alle galassie ellittiche.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine del corso avra' acquisito le seguenti abilita':


· Avra' acquisito un livello completo di metodi e risultati relativamente al problema generale della distribuzione e quantita' di materia oscura nelle galassie.
· Sapra' applicare il teorema di Jeans alla costruzione di modelli non-collisionali per sistemi autoconsistenti a seconda della simmetria ipotizzata per lo stato di base di riferimento.
· Le tecniche cosi' imparate, che comprendono anche elementi su metodi di inversione, hanno applicazione anche allo studio di plasmi di alta temperatura.
· Sapra' costruire e giustificare fisicamente modelli autoconsistenti per ammassi globulari, anche alla luce di fenomeni non-banali, come la presenza di interazioni mareali oppure di segregazione di massa e equipartizione di energia generate dall'azione cumulativa di deboli collisioni.
· Sara' in grado di confrontare i modelli costruiti con le osservazioni, o per valutarne la bonta' o per misurare la massa dei sistemi stellari studiati.
· Con le competenze sviluppate nello studio delle galassie ellittiche, sara' in grado di studiare le proprieta' di misure o simulazioni numeriche per sistemi stellari caratterizzati da una distribuzione di orbite non-banale. Inoltre potra' utilizzare queste competenze come interfaccia con studi complementari che coinvolgono lenti gravitazionali o astronomia in banda x.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Primo semestre
In relazione alle modalita' di erogazione delle attivita' formative per l'a.a. 2021/22, verranno date indicazioni piu' specifiche nei prossimi mesi, in base all'evoluzione della situazione sanitaria.
Programma
L'insegnamento tratta vari argomenti di astrofisica extragalattica, particolarmente quelli che collegano la dinamica a formazione ed evoluzione delle galassie nel contesto cosmologico. Tocca inoltre molte questioni fondamentali che collegano lo studio di sistemi autogravitanti complessi con altri campi, come la fisica dei plasmi.

Astrofisica Teorica 2 e' rivolto a questioni che riguardano principalmente galassie ellittiche e ammassi globulari, con un'introduzione fenomenologica dedicata al problema della materia oscura.

1. Materia oscura. Quadro storico del problema. Buchi neri centrali supermassicci come esempi di materia non visibile. Ammassi di galassie e la struttura verticale del disco nelle vicinanze del Sole come precursori della scoperta della materia oscura. La scoperta degli aloni oscuri nelle galassie a spirale a partire dallo studio delle curve di rotazione. Il ruolo decisivo delle osservazioni a 21cm. L'ipotesi di disco massimale. "Conspiracy" e degenerazione. Decomposizione autoconsistente di una curva di rotazione in termini di disco e alone. Argomenti dinamici (Ostriker & Peebles 1973; distorsioni galattiche). Studi moderni di leggi di scala, gas extra-planare, galassie nane, nane compatte, galassie ultra-diffuse, stelle iperveloci, dischi di satelliti.
2. Breve descrizione delle figure ellissoidali fluide di equilibrio. La natura non-collisionale dei sistemi stellari grandi. Proprieta' dell'equazione di Boltzmann non-collisionale. Autoconsistenza e il sistema di equazioni di Vlasov-Poisson. Lo strato isotermo e la sfera isoterma non-collisionali come modelli locali di sistemi stellari. Politrope sferiche non-collisionali.
3. Sfere quasi-isoterme troncate come modelli per gli ammassi globulari (modelli sferici, isotropi di King). Catastrofe gravotermica. Meriti, limiti, generalizzazioni dei modelli di King. Inclusione esplicita di maree, rotazione, anisotropia di pressione, segregazione di massa, equipartizione di energia.
4. Collasso non collisionale e rilassamento incompleto violento. Modelli dinamici e interpretazione fisica della struttura osservata delle galassie ellittiche (in particolare della legge R1/4). Stabilita' e instabilita' per eccesso di orbite quasi-radiali. Materia oscura nelle ellittiche e negli ammassi di galassie. Il Piano Fondamentale. Galassie come sonde cosmologiche.
Prerequisiti
E' preferibile, ma non necessaria, la conoscenza di nozioni elementari relative all'astronomia.
E' richiesta una buona conoscenza dei concetti e dei metodi che è ragionevole assumere siano stati introdotti nella Laurea Triennale, soprattutto in relazione a:
1. Meccanica Classica
2. Elettrodinamica Classica
3. Analisi Matematica
Metodi didattici
Modalità di frequenza: fortemente consigliata.
Modalità di erogazione: tradizionale, con l'aiuto di lavagna e appunti.
Durante il periodo emergenziale verranno distribuiti appunti dettagliati con una settimana di anticipo rispetto alla lezione programmata.
Materiale di riferimento
G. Bertin "Dynamics of galaxies", 2nd ed, Cambridge University Press, New York USA (2014)
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in una discussione orale che verte sugli argomenti trattati nell'insegnamento. Tipicamente l'orale dura 45 minuti e e' articolato in due domande, una di taglio fenomenologico e l'altra di taglio teorico-fondamentale. Nella valutazione dell'esame verra' dato particolare peso alla chiarezza acquisita sui concetti principali sviluppati nell'insegnamento.
FIS/05 - ASTRONOMIA E ASTROFISICA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Docente: Bertin Giuseppe
Docente/i