Insegnamento ASTROFISICA MULTI-MESSAGGIO: DALLE ONDE GRAVITAZIONALI AI RAGGI GAMMA

Corso
Fisica
Codice insegnamento
A003089
Curriculum
Fisica teorica
Docente
Mateusz Bawaj
Docenti
  • Mateusz Bawaj
  • Sara Cutini
  • Giuseppe Greco
Ore
  • 14 ore - Mateusz Bawaj
  • 14 ore - Sara Cutini
  • 14 ore - Giuseppe Greco
CFU
6
Regolamento
Coorte 2024
Erogato
2024/25
Attività
Affine/integrativa
Ambito
Attività formative affini o integrative
Settore
FIS/05
Tipo insegnamento
Opzionale (Optional)
Tipo attività
Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento
Italiano
Contenuti
Il termine astrofisica multimessaggera è stato introdotto per descrivere il campo di scienza che sfrutta tutti tipi di osservazioni astronomiche in una comune analisi dati per estrarre le informazioni piu precise sull’Universo.
Astrofisica milmulti-messaggio: dalle onde gravitazionali ai raggi gamma tratta i recenti risultati di questo campo e le maggiori tecniche di analisi d’avanguardia che vengono usate. Inoltre il corso comprende una dettagliata descrizione delle tecniche di rivelazioni di onde gravitazionali e di candidati transienti elettromagnetici.
Testi di riferimento
P. Saulson, Fundamentals of interferometric gravitational wave detectors, 2. ed.,World Scientific 2017

M. Maggiore, Gravitational Waves, Volume 1: Theory and experiments

M. Craig and L., Chambers, edited by L. Glattly. CCD Data reduction guide (http://www.astropy.org/ccd-reduction-and-photometry-guide/v/dev/notebooks/00-00-Preface.html)

M. Longair. High Energy Astrophysics, Third Edition 2011.

Kumar 2014, DOI: 10.1016/j.physrep.2014.09.008

Urry & Padovani 1995, DOI 10.1086/133630

Appunti dei docenti
Obiettivi formativi
Gli studenti acquisiranno le competenze scientifiche di base per analizzare e gestire le informazioni e i risultati provenienti dalla rete di interferometri durante l’invio dei messaggi di allerta alla comunità scientifica internazionale. Nel percorso, gli studenti impareranno le tecniche di funzionamento della rete di interferometri della collaborazione Virgo, LIGO e KAGRA e conosceranno le maggiori scoperte avvenute negli ultimi anni attraverso la letteratura scientifica pubblicata su riviste internazionali. Inoltre gli studenti conosceranno gli interferometri di terza generazione e in particolare in dettaglio il progetto ET (Einstein Telescope) e le sue implicazioni astrofisiche e la gestione dei big data.
Nella seconda parte gli studenti approfondiranno l’argomento della astrofisica di alte energie e le tecniche di analisi degli oggetti astronomici. Il corso ha l’obiettivo di fornire agli studenti la capacità di gestire e analizzare i dati multi-frequenza delle sorgenti galattiche ed extragalattiche e fornire strumenti per comprendere la natura dei principali processi di emissione degli oggetti celesti.
Prerequisiti
Conoscenza dei fondamenti della teoria della Relatività Generale.
Metodi didattici
Lezioni frontali in aula con proiezioni di diapositive e filmati. Gli argomenti che comprendo gli elementi di tecnologia informatica saranno spiegati usando le dimostrazioni.
Le tecnologie coinvolte sono le librerie sviluppate per assistere l’analisi dati nel campo di onde gravitazionali e altri software specializzati.
Le lezioni principali sugli argomenti del corso saranno approfondite attraverso un’accurata selezione degli articoli di ricerca più importanti pubblicati su riviste internazionali e principalmente concernenti i risultati delle collaborazione Virgo, LIGO e KAGRA e Fermi LAT. Alcune lezioni saranno dedicate all'approfondimento di tematiche anche proposte dagli studenti, con il coinvolgimento degli studenti stessi.
Altre informazioni

Modalità di verifica dell'apprendimento
L'esame consiste in una prova orale. Tale prova servirà a verificare le capacità di comunicazione dello studente con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione sugli argomenti trattati a lezione.

Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso
Astrofisica multimessaggera: dalle onde gravitazionali ai raggi gamma:

Modulo Astronomia Multimessaggera (14h)*:

Introduzione all’astrofisica e all’astronomia multimessaggera con le onde gravitazionali:
Localizzazione della sorgente e sistemi di allerta. Tasso di rilevamento e capacità osservative della rete degli interferometri. Early-Warning Alerts e classificazione della sorgente.

Analisi delle osservazioni multimessaggere dei maggiori sistemi binari coalescenti identificati:
Implicazioni astrofisiche e implicazioni cosmologiche. I futuri interferometri di terza generazione. Einstein Telescope (ET) e l’astronomia gravitazionale a scale cosmologiche. Capacità osservative di ET nel contesto delle nuove missioni satellitari e telescopi a Terra.

Introduzione alle tecniche di analisi di dati astronomici nella ricerca delle controparti elettromagnetiche:
Fondamenti di astronomia sferica e fotometria. Strumenti per generare e codificare le mappe di localizzazione delle sorgenti di onde gravitazionali. Introduzione agli standard e ai software del Virtual Observatory.




Modulo Onde Gravitazionali (14h)*:

La teoria Newtoniana della gravitazione. La gravità a confronto con le altre forze della natura. Massa inerziale e massa gravitazionale. Le gauge transverse-traceless e proper reference frame.

La natura delle onde gravitazionali:
La polarizzazione delle onde gravitazionali. L’esperimento di Michelson-Morley ed uno schema di rivelatore per le onde gravitazionali. Descrizione delle onde gravitazionali in termini di forza.

Richiami di teoria del rumore negli strumenti di misura:
Processi stocastici. Media, varianza, correlazione, autocorrelazione. Processo armonico. Trasformazioni lineari. Spettro di potenza. Teorema di Fluttuazione-Dissipazione. Il rapporto segnale rumore e il problema del filtraggio dei dati.

Rivelatori per onde gravitazionali e tecniche di misura:
Tipi dei rivelatori di onde gravitazionali. Modulazione e rivelazione in fase. Rivelatori ottici a larga banda. Interferometro di Michelson e Cavità Fabry-Perot. Ricircolo della luce. Sistemi opto-meccanici con retroazione: Tecnica di Pound-Drever-Hall. Riduzione del rumore shot e di pressione di radiazione. Il limite quantistico dei rivelatori gravitazionali e le strategie d’aggiramento di tale limite. I rivelatori di onde gravitazionali futuri.

Rivelazione del segnale gravitazionale:
Il problema della rivelazione del segnale. Matched filter e modello SEOB.


Radiazione elettromagnetica e Neutrini (14h):

Introduzione alla fisica dell’evoluzione stellare per evidenziare i processi formativi e di nucelosintesi legati alla formazione degli oggetti compatti quali Stelle di Neutroni e Buchi Neri.
Breve storia della scoperta dei gamma-ray burst, introduzione all’astrofisica moderna da satellite nelle varie lunghezze d’onda.
Tecniche di rivelazione e di analisi di dati astrofisici delle alte energie con particolare interesse al gamma-ray e X-ray attraverso il satellite Swift e Fermi.
Meccanismi di emissione non termici che dominano la natura delle sorgenti astrofisiche che emettono fotoni ad alta energia quindi Synchrotron, Self Synchrotron Compton, External Compton, breve introduzione a  modelli adronici.
Applicazione dei modelli di emissione alle possibili candidate sorgenti multimessaggere, quali blazar e GRB. 
Introduzione al concetto di Beaming Relativistico, fondamentale per la descrizione del modelli di emissione del blazar e dei GRB
Studio della fenomenologia associata ai Blazar e ai GRB nelle varie lunghezze d’onda dal radio al TeV.

Proprietà fondamentali dei neutrini: tipi di interazioni e sezioni d’urto dei diversi processi, oscillazione dei neutrini. Basi delle tecniche di relazione dei neutrini con esempi notevoli di rivelatori.
Introduzione storica all’astrofisica dei neutrini: anomalia dei neutrini solari, la scoperta dell’oscillazione dei neutrini e le misure più recenti. 
I neutrini dalla Supernova SN1987A. L’evento IceCube IC170922A e la prima rivelazione di neutrini da sorgenti extragalattiche.
Flusso diffuso di tipo multimessaggero (fotoni, raggi cosmici, neutrini),  propagazione dei diversi messaggeri astrofisici, processi astrofisici di  produzione dei neutrini, spettro e composizione di sapore attesi. Risultati sperimentali di IceCube. L’astrofisica dei neutrini nel contesto multimessaggero. Nuovi esperimenti e sviluppi futuri.

* le lezioni saranno provviste di esempi pratici ed esercitazioni con brevi cenni alla programmazione in Python e JavaScript e creazione e gestione di un repositorio su GitHub.
Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
4,9,17
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