Astro-particle: dallo spazio

L’astrofisica oggi
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Astrofisica: studio dei fenomeni fisici nel cosmo. È basata su:
– osservazioni astronomiche;
– fisica.
Sviluppi tecnologici  nuove scoperte  nuovi problemi.
Le nuove strade dell’astrofisica:
– radiazione elettromagnetica non visibile;
– osservazione di particelle cosmiche (non fotoni).
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
Le osservazioni ottiche da Terra
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Strumenti con grande obiettivo sono
necessari per:
– osservare oggetti deboli;
– ridurre l’effetto della diffrazione
delle onde elettromagnetiche.
Le osservazioni da Terra sono comunque
limitate dalla turbolenza dell’atmosfera.
Si ottiene, al meglio, una risoluzione
angolare di circa 0.5’’: corrispondente ad
una moneta a 10 km di distanza.
Negli ultimi anni vari sviluppi hanno
permesso notevoli passi avanti:
– telescopi ottici con ottica attiva e
adattativa;
– radio-telescopi: interferometria a
grande base.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
I telescopi gemelli Keck
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L’installazione di un telescopio a Terra richiede una posizione con eccellente visibilità.
I migliori e più recenti telescopi sono solitamente installati in pochi luoghi selezionati: alta
quota, meteorologia favorevole, atmosfera calma.
I telescopi gemelli Keck (10 m apertura) possono operare indipendentemente oppure
cooperando. Insieme equivalgono ad un unico telescopio di 14 m di apertura.
Futuro: interferometria ottica.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Il Very Large Telescope (VLT)
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Quattro telescopi di 8.2 m apertura. Equivalgono
ad un unico telescopio con 16 m di apertura.
Specchio monolitico, spesso 18 cm con ottica
attiva.
Futuro: interferometria ottica con ottica
adattativa.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Il Very Large Telescope (VLT)
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La Nebulosa del Granchio, residuo dell’esplosione dovuta alla morte di una stella. La
supernova fu osservata nel 1054 dagli astronomi cinesi. Al centro della nebulosa si trova
una pulsar: una stella di neutroni che ruota su se stessa 30 volte al secondo.
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05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
I diversi colori
indicano diversi
processi fisici in
azione.
Una supernova
rimette in
circolazione nello
spazio interstellare
la materia della
stella morente.
Si ritiene che le
supernovae siano
le sorgenti dei
raggi cosmici di
più alta energia.
Il telescopio spaziale Hubble
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Ha un obiettivo di diametro 2.4 m, è dotato
di molti strumenti.
Può effettuare osservazioni in varie bande
dall’infrarosso all’ultravioletto.
L’eliminazione degli effetti dell’atmosfera
permette una eccellente qualità ottica.
Futuro: NGST, 6 m (?) di apertura.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Il telescopio spaziale Hubble
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Deep space field
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Plutone e Caronte
05 novembre 2002
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Immagine di HST di un AGN
Alessandro Petrolini - DIFI
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Astronomia: radio/ottica e w/IR/UV/X/
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L’osservazione delle radiazioni
elettromagnetiche in diverse lunghezze
d’onda fornisce molte informazioni.
La sole osservazioni possibili, da Terra,
sono in luce visibile e onde radio: le altre
bande sono assorbite dall’atmosfera e non
raggiungono la superficie terrestre.
Occorre andare ad alta quota oppure nello
spazio per ridurre o eliminare l’effetto
dell’atmosfera.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Radio-telescopi: Very Large Array (VLA)
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Consiste di 27 radio-telescopi di 25 m di diametro.
Sono installati su rotaie, e possono coprire una zona fino a 35 km.
È un interferometro, può risolvere una sorgente radio grande come una palla da golf a 150 km
di distanza.
È usato anche per ricevere trasmissioni radio da sonde spaziali.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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L’interpretazione
delle osservazioni
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L’osservazione dello spettro della luce
fa imparare molte cose sull’oggetto
osservato.
Diagramma di Hertzsprung-Russell:
fornisce l’età della stella.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Effetti dinamici in azione
Satelliti pastore
Il limite di Roche
05 novembre 2002
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La scoperta di pianeti extra-solari
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La scoperta del primo pianeta di una stella simile al Sole risale al 1995. Oggi se ne
conoscono alcune decine.
Hanno masse da 0.2 MJ a 11 MJ.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Le lenti gravitazionali
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Grandi quantità di materia (anche
invisibile) possono essere identificate
dall’effetto di lente gravitazionale sulla
luce proveniente da lontano nella loro
direzione.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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I nuclei galattici attivi (AGN)
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Si ritiene che molte galassie abbiano al loro
centro un buco nero gigante, di massa da
un milione ad un miliardo di volte la massa
del Sole.
Il buco nero fagocita quello che gli sta
intorno, formando un disco di
accrescimento che da origine all’emissione
di enormi quantità di energia (AGN).
I diversi tipi di AGN sono variazioni su
questo tema: galassie Seyfert, QSO,
quasars, blazars, radio galassie.
Tipicamente sono oggetti estremamente
lontani e luminosi.
Lontano significa che noi vediamo oggi gli
oggetti come erano al momento in cui la
luce che vediamo è partita.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
I gamma ray bursts (GRB)
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Sono stati scoperti per caso da
satelliti militari attorno al
1970.
Si osservano brevi e intensi
lampi di radiazione gamma.
La sorgente di energia è
compatta, qualche decina di
km.
L’energia liberata è enorme.
Si ipotizzano due possibili
modelli
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Hypernova: esplosione di
stelle di massa circa
30M.
Fusione di due oggetti
compatti: buco nero, stella
di neutroni o nana bianca.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
ISS: Stazione Spaziale Internazionale
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L’assemblaggio terminerà nel
2006.
È realizzata da un consorzio
internazionale di 16 nazioni.
Misurerà 107 m  87 m con una
massa di circa 500.000 kg e
orbiterà a circa 400 km di quota.
Sarà la base per varie esperienze
scientifiche: microgravità,
biologia, ingegneria, scienza
della Terra e dello Spazio.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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ISS: Stazione Spaziale Internazionale
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
Le sonde spaziali
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I viaggi interplanetari
richiedono soluzioni
ingegnose per superare
le difficoltà tecniche.
Le orbite vengono
progettate in modo da
sfruttare le interazioni
gravitazionali con i
pianeti per modificare
direzione e velocità
senza consumo di
energia (effetto fionda
gravitazionale).
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
L’astrofisica delle particelle
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Recentemente si è aperto il campo della
astrofisica delle particelle: l’osservazione
di particelle dallo spazio (non luce, cioè
fotoni): i raggi cosmici (protoni, particelle
alpha, nuclei pesanti, ...).
Si apre un campo del tutto nuovo.
complementare all’astronomia e astrofisica
tradizionali.
Sono stati osservati raggi cosmici con
l’energia di una palla da tennis.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
Astro-particle: under-ground
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Osservazione dei neutrini solari.
Apparato sotterraneo (Gran Sasso)
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Astro-particle: da Terra
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Tibet: Apparato per la rivelazione
di Sciami di particelle
nell’atmosfera prodotti da raggi
cosmici di alta energia.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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Astro-particle: under-water
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
Astro-particle: dallo spazio
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I raggi cosmici di più alta energia osservati
producono, interagendo con l’atmosfera,
sciami di particelle lunghi qualche decina di
km e composti da miliardi di miliardi di
particelle.
Possono essere osservati dallo spazio.
EUSO: un progetto ESA per la ISS
EUSO
UV fluorescence
Earth
atmosphere
Earth surface
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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EAS
Cherenkov signal
Astro-particle: dallo spazio
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
Astro-particle: dallo spazio
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
Conclusione
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L’astrofisica è un settore che sta vivendo una grande espansione.
Vari sviluppi sperimentali e tecnologici hanno permesso in anni recenti:
– molte scoperte;
– possibilità di indagine in settori prima inaccessibili.
Gli sviluppi della fisica teorica forniscono le basi per l’interpretazione delle
osservazioni e lo sviluppo di modelli dei fenomeni cosmici.
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
Genova
05 novembre 2002
Alessandro Petrolini - DIFI
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