ASTROPHYSICS LABORATORY

Il corso si propone di fornire una panoramica sufficientemente approfondita delle attuali tecniche osservative.

Particolare attenzione verrà dedicata alla descrizione anche quantitativa dei meccanismi fisici che sono alla base dei fenomeni osservati.

A causa della intrinseca interdisciplinarietà dell'astrofisica, quando necessario si introdurranno, anticipandoli in maniera euristica, concetti che verranno affrontati compiutamente in altre materie successivamente.

L'approccio utilizzato a lezione sarà di tipo osservativo-sperimentale-numerico-teorico.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuirà ad acquisire le seguenti competenze:

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)

Durante il corso lo studente acquisirà una comprensione critica degli sviluppi più avanzati delle tecniche osservative utilizzate in Astrofisica sia negli aspetti applicativi sia in quelli teorici.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Durante il corso lo studente raffinerà la sua capacità di identificare gli elementi essenziali dei fenomeni investigati in quello che costituisce il laboratorio più grande a nostra disposizione: l'Universo.

Autonomia di giudizio (making judgements)

Durante il corso lo studente verrà sollecitato ad aumentare la propria capacità di argomentare personali interpretazioni di quanto studiato.

Abilità comunicative (communication skills)

Durante il corso lo studente verrà sollecitato a raffinare la propria capacità di comunicare le conoscenze acquisite con proprietà di linguaggio, capacità che risulterà particolarmente importante quando si troveranno a dover presentare una propria attività di ricerca o di rassegna a un pubblico di specialisti o di profani.

Capacità di apprendimento (learning skills)

Durante il corso lo studente affinerà la propria capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze e la capacità di accedere alla letteratura scientifica specializzata.

Oltre alle lezioni frontali, il corso prevede osservazioni fotometriche, spettroscopiche e spettropolarimetriche con la strumentazione dell'Osservatorio Astrofisico di Catania (Serra La Nave) e osservazioni radio single-dish presso la Stazione Radioastronomica di Noto. Ogni studente, in ambiente Linux, svolgerà autonomamente esercitazioni numeriche e la riduzione di dati.

Il corso prevede esercitazioni per la realizzazione di modelli numerici delle atmosfere stellari e la risoluzione dell'equazione del trasporto radiativo utilizzando i codici in equilibrio termodinamico locale ATLAS e SYNTHE. 

Individualmente, ogni studente provvederà alla scrittura dei necessari codici per la determinazione dei parametri stellari sulla base del confronto tra spettri osservati e spettri teorici.

Compatibilmente con la disponibilità, durante il corso saranno tenuti seminari di approfondimento da ricercatori coinvolti nello sviluppo di metodologie mirate alla modellizzazione e interpretazione dei dati osservativi o sperimentali.

Conoscenze indispensabili richieste per fruire pienamente del corso e per sostenerne l'esame finale:

- Elementi di astronomia

- Elementi della Fisica dei Plasmi

- Elementi di Fisica atomica

- Calcolo differenziale e integrale delle funzioni

- Meccanica dei sistemi

- Termodinamica.

- Elettromagnetismo

- Ottica

Necessaria per l'utilizzo della strumentazione.

Introduzione

Il sistema operativo linux, Interactive Data Language, Latex.

La radiazione elettromagnetica. I parametri di Stokes.

Spettri Stellari. L'atmosfera terrestre.

Trasformate di Fourier. Convoluzioni.

Telescopi:

Ottica, aberrazioni

Telescopi configurazioni, montature per il visibile, ultravioletto, infrarosso.

Radio Telescopi.

Telescopi per radiazione X e Gamma (Cherenkov).

Rivelatori:

Segnali, campionamento e digitalizzazione.

Caratteristiche generali: rumore di lettura, rumore di fondo, efficienza, linearità.

Rivelatori nel visibile: fotomoltiplicatori, CCD.

Rivelatori nel radio e microonde.

Rivelatori per radiazione X e Gamma.

Spettroscopia échelle:

Spettrografi èchelle. Acquisizione e riduzione dati spettroscopici e spettropolarimetrici.

Determinazione delle grandezze caratteristiche dei plasmi astrofisici:

Risoluzione numerica dei modelli di atmosfera stellare.

Risoluzione numerica dell'equazione del trasporto radiativo nell’approssimazione di equilibrio termodinamico locale. 

Determinazione dei parametri stellari fondamentali dal confronto tra simulazioni numeriche e dati osservativi: velocità radiale, velocità di rotazione, micro e macro-turbolenza. Temperature efficace, Gravità superficiale, Abbondanze Chimiche. Campi Magnetici.

Strumentazione, metodi osservativi e riduzione dei dati:

Imaging: Camere per immagini. Configurazioni ottiche e loro proprietà. Sistemi fotometrici.

-             Esperienza: Ottimizzazione allineamento lenti in laboratorio.

-             Esperienza: Acquisizione immagini al telescopio di Serra la Nave. Riduzione dati. Astrometria. Misura di magnitudine (fotometria di   apertura).

Spettroscopia: Spettrografi. Configurazioni e loro proprietà.

-             Esperienza: Allineamento elementi ottici e dispersivi in laboratorio

-             Esperienza: Acquisizione dati spettroscopici al telescopio di Serra la Nave. Riduzione dati. 

Polarimetria: Metodi per la misura del grado di polarizzazione sia lineare che circolare in astrofisica.

Ottica numerica: Progettazione di camere per immagini e spettrografi per telescopi ottici.

Radioastronomia: Acquisizione dati da singola antenna.

-             Esperienza: Acquisizione dati al radiotelescopio single-dish di Noto. Riduzione dati. Misura della brillanza.

Archivi: Utilizzo degli archivi dei maggiori osservatori astronomici.

Gray D.F., The observation and analysis of stellar spectra – Cambridge Astrophysics Series

Kitchin C.R., Astrophysical Techniques - Publisher Institute of Physics Publishing

Mihalas D., - Stellar Atmospheres. - San Francisco: W. H. Freeman & Company

Landi Degl'Innocenti, Landolfi - Polarization in Spectral Lines - Kluwer Academic Publishers

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame prevede la stesura di una relazione su una attività osservativa o sperimentale concordata e svolta durante il corso. La relazione dovrà essere consegnata al docente almeno due giorni prima dell’esame. La verifica dell’apprendimento è affidata ad un esame finale orale su tutti gli argomenti del programma.

Gli studenti potranno iniziare l’esame con l’esposizione dell’argomento trattato nella relazione anche utilizzando dispositivi multimediali, quali una presentazione ppt.

Criteri per l’attribuzione del voto finale: Alla formulazione del voto finale concorreranno in egual misura la relazione sull’esperienza condotta durante il corso i risultati, la padronanza mostrata nelle argomentazioni sia in termini qualitativi che quantitativi, la conoscenza degli argomenti affrontati durante il corso con particolare riferimento alla capacità di mettere in correlazione le varie parti del programma.

TESINE FREQUENTI E/O ESEMPI DI DOMANDE

· Determinazione del periodo orbitale di sistemi binari dalla variazione fotometrica.

· Determinazione dei raggi stellari di binarie ad eclisse.

· Determinazione della temperatura efficace, gravità e composizione chimica.

· Determinazione del periodo orbitale di sistemi binari dalla variazione della velocità radiale.

- Misura del campo magnetico superficiale di una stella.

· Proprietà ottiche dei telescopi e loro aberrazioni.

· Tecniche, limiti e vantaggi della fotometria CCD.

· Potere risolutivo e caratteristiche costruttive di uno spettrografo.

· Rivelatori per l’astronomia radio e gamma.