Astrofisica teorica 1

A.A. 2020/2021
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 1 e' principalmente dedicato allo studio di problemi e metodi di indagine relativi alle galassie a spirale.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine del corso avra' acquisito le seguenti abilita':


Conoscera' le principali proprieta' strutturali e cinematiche, nonche' le principali leggi di scala, che caratterizzano le galassie. Con questa base empirica potra' intraprendere ricerca nell'ambito di studi di formazione e evoluzione delle galassie o ricerca in ambito cosmologico dove si usino le galassie come traccianti su grandissima scala.
Sapra' calcolare e valutare il tasso di collisionalita' per incontri stellari in vari contesti astrofisici, alcuni dei quali (per esempio ammassi globulari e nuclei galattici) di particolare interesse nell'astrofisica moderna.
Sapra' formulare modelli fluidi o cinetici per studiare varie questioni relative alla dinamica dei sistemi stellari e alcuni problemi di fisica del plasma.
Sapra' caratterizzare alcune proprieta' orbitali semplici (precessione, risonanze) in numerosi contesti, anche nell'ambito della meccanica celeste.
Con l'aiuto dello studio delle onde di densita' a spiegazione della struttura a spirale delle galassie sviluppato nel Corso, sapra' calcolare varie proprieta' locali e globali di mezzi soggetti a onde dispersive, anche con applicazione alla fisica del plasma e all'idrodinamica.
In particolare potra' risolvere problemi in cui sia richiesto l'utilizzo della approssimazione nota come WKB.
Avra' acquisito una ricca quantita' di esempi che mettono in luce le proprieta' di equilibrio e i meccanismi di instabilita' in vari contesti dinamici.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Metodi didattici
Le lezioni si terranno prevalentemente in forma asincrona (tramite la distribuzione di appunti dettagliati su ciascuna lezione con anticipo di una settimana rispetto la lezione programmata, anche proponendo quesiti e suggerendo problemi sul programma svolto). Nel corso dell'orario di lezione (forma sincrona, piattaforma Zoom e eventualmente Skype) verranno illustrati i contenuti della lezione e si cerchera' di instaurare con gli studenti una discussione sui punti specifici sviluppati nell'insegnamento. Durante la settimana, nel periodo tra lezione e lezione, gli studenti sono incoraggiati a contattare il docente con domande (relativamente agli appunti, ai quesiti e ai problemi), che vengono poi riprese nella fase sincrona dell'insegnamento.

Programma e materiale di riferimento
Il programma e il materiale di riferimento non subiranno variazioni.

Modalità di verifica dell'apprendimento e criteri di valutazione
L'esame si svolgerà in forma orale utilizzando la piattaforma Zoom o, laddove la regolamentazione lo consentisse, in presenza, sempre in forma orale.

L'esame, di circa 3/4 d'ora, sarà volto a accertare il raggiungimento degli obiettivi in termini di conoscenza e capacità di comprensione secondo l'impostazione degli orali in presenza.
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 1 e' rivolto a questioni che riguardano principalmente le galassie a spirale, con un'introduzione fenomenologica dedicata alle proprieta' empiriche generali delle galassie.

1. Caratteristiche fisiche delle galassie. Classificazione morfologica, struttura (fotometria) e cinematica (spettroscopia) delle galassie. Leggi empiriche di scala: relazione di Tully-Fisher per le galassie a spirale e il Piano Fondamentale per le galassie ellittiche. Buchi neri supermassicci al centro delle galassie.
2. Tempi di rilassamento per collisione stella-stella e alcuni fenomeni interessanti (per esempio, l'attrito dinamico). Galassie come sistemi stellari non collisionali. Sistemi di N corpi e simulazioni. Descrizione continua di sistemi stellari. L'equazione di Boltzmann non-collisionale e il problema della dinamica autoconsistente. Teorema di Jeans, simmetrie, integrali del moto, anisotropia del tensore di dispersione di velocita'. Momenti dell'equazione di Boltzmann non-collisionale, equazioni fluide, equazioni viriali. Analogie con i plasmi elettromagnetici. Il paradigma "equilibrio e stabilita'/simmetria e rottura di simmetria" alla base degli studi di evoluzione di galassie e altri sistemi fisici. Il caso della scodella rotante: stabilita' dinamica e stabilita' dissipativa; modi normali.
3. Descrizione delle orbite stellari in dischi galattici. Centri-guida e oscillazioni epicicliche. Introduzione di un potenziale a spirale stazionario. Punti Lagrangiani. Il paradosso dell'avvolgimento. Corotazione e risonanze di Lindblad. Onde cinematiche a spirale di Lindblad.
4. Il problema della struttura a spirale nella formulazione di Oort; quattro scenari dinamici interpretativi in relazione a origine e persistenza della struttura su grande scala. Instabilita' di Jeans. Il parametro Q e autoregolazione. Onde di densità quasi-stazionarie e tre critiche sollevate al riguardo: la soluzione in termini di modi globali discreti autogenerati, in formulazione WKB e nella formulazione di autostati di un'equazione del tipo di Schroedinger. Feedback e overreflection. Classificazione dinamica delle galassie a spirale. Importanza delle conferme osservative recenti del quadro teorico ottenute soprattutto tramite studi nel vicino infrarosso (banda K).
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.
Nel periodo di emergenza verranno distribuiti appunti dettagliati con anticipo di una settimana rispetto alla lezione programmata.
Materiale di riferimento
G. Bertin "Dynamics of galaxies", 2nd ed, Cambridge University Press, New York USA (2014)
G. Bertin, C.C. Lin "Spiral Structure in Galaxies: A Density Wave Theory", The MIT Press, Cambridge, MA USA (1996)
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