Linee di ricerca in fisica dei pianeti, astrofisica delle alte energie e cosmologia

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1 Linee di ricerca in fisica dei pianeti, astrofisica delle alte energie e cosmologia N. Bartolo, M.Lazzarin, M. Liguori, F. Marzari, S. Matarrese, G. Tormen R. Turolla

2 Formazione ed voluzione dei pianeti extrasolari e dischi circumstellari F. Marzari Obiettivi della ricerca: Studiare la formazione dei pianeti extrasolari a partire da dischi circumstellari Modificare il modello standard di formazione per spiegare i pianeti giganti vicino alla stella e le loro grandi eccentricita' Studiare in dettaglio i vari meccanismi di migrazione planetaria per interazione con il disco e mareali Capire la formazione di pianeti in sistemi binari e le loro proprietà Modello standard: i pianeti si formano da un disco circumstellare composto da gas e polvere che circonda la stella in formazione. I pianeti si formano in situ con una massa e composizione che e' determinata dal profilo di temperatura e densita' (gas e componente solida) del disco circumstellare.

3 Dal 1995 in poi 51 Peg 664 sistemi planetari 842 pianeti 2300 candidati (Kepler) Missione Kepler

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5 Formazione ed evoluzione di pianeti in sistemi stellari binari: un problema complesso I planetesimi, precursori dei pianeti, sono perturbati dalle onde di densità del disco generate dalla gravità della stella secondaria e invece che formare corpi più massivi (i pianeti) tendono a craterizzarsi e frammentarsi. Esempio di evoluzione orbitale di planetesimi in un disco parte di un sistema binario. Evoluzione di dischi

6 Alcuni problemi aperti... Manca un modello completo per l'evoluzione dei pianeti che includa tutta la fisica e dinamica i.e. formazione, migrazione, Planet-Planet scattering Non c'e' una teoria consistente per l'origine dei planetesimi: contributo della turbolenza nell'instabilità gravitazionale? Modelli idrodinamici sono troppo time-consuming in particolare in 3D per simulare l'evoluzione di polvere+gas e quindi capire la back-reaction di una componente sull'altra. Necessitano informazioni osservative più precise sulla statistica dei pianeti (distribuzione in massa e elementi orbitali) e sulla vita media e proprietà dei dischi circumstellari. Origine della viscosità nei dischi, dead zones e conseguenze per la migrazione planetaria e formazione dei pianeti giganti.

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8 Importanza dello studio dei corpi minori: asteroidi e comete Sono gli oggetti più primitivi del Sistema Solare, il loro studio consente di investigare le fasi primordiali della sua formazione ed evoluzione. In particolare le comete conservano un ricordo praticamente immodificato della composizione, temperatura e densità della nube da cui si formò il SS. Gli asteroidi e le comete consentono di investigare l evoluzione chimica, termica e dinamica del SS. Le comete ci consentono di studiare il vento solare. Con lo studio della coda di ioni si ottengono ad esempio info sulla densità e velocità del vento. Rappresentano le principali sorgenti di meteoriti che arrivano sulla Terra Gli impatti con questi oggetti sono forse la causa principale della craterizzazione dei corpi nella regione interna del SS, compresa la Terra. Rappresentano quindi anche un fattore di rischio per la Terra e possono essere stati responsabili di estinzioni di massa. Sono stati e sono veicoli di molecole organiche e di acqua (in particolare le comete) e molto probabilmente responsabili dell acqua e del sorgere della vita sulla Terra..

9 Componen'( ( Monica Lazzarin - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova - Ricercatore ( Cesare Barbieri Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova PO Sara Magrin - CISAS - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova Assegnista ( Ivano Bertini CISAS - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova - Assegnista Fiorangela La Forgia - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova Assegnista ( Maurizio Pajola CISAS - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova Assegnista Collaborazioni: Oss. di Torino, Oss. di Arcetri, Univ., Oss. di Roma. IASF di Roma, Univ. di Pisa, Obs. de Paris, Univ. of Hawaii, Max Planck Inst. Lindau, DLR Berlino, Univ. Boston., Inst. de Astrofisica de Canarias

10 Mauna Kea-Hawaii Observatory Studio da Terra Studio di asteroidi e comete mediante indagine spettroscopica: studio composizione superficiale Lo studio della composizione è fondamentale per conoscere l origine e l evoluzione di questi oggetti e quindi per investigare i processi evolutivi del Sistema Solare Very Large Telescope-ESO-Paranal-Cile

11 Studio spettroscopico di asteroidi e comete: Indagini principali: 1.Oggetti primitivi e di transizione, relazioni tra comete e asteroidi: indagine spettroscopica degli asteroidi della fascia piu esterna che hanno molto probabilmente mantenuto parte della composizione originaria e mostrano caratteristiche spettrali e mineralogiche molto simili a quelle dei nuclei cometari (composti del carbonio, ghiaccio, silicati anidri) 2. Alterazione acquosa: oggetti di tipo tassonomico C, tra 2.5 e 3.2 UA contengono materiale idrato, prodotto da processi di alterazione acquosa: studio dell evoluzione termica della fascia asteroidale 3. Studio spettrofotometrico di Kuiper Belt Objects: oggetti di tipo cometario con ghiacci di varia natura posti agli estremi confini del Sistema Solare 4.SINEO: Spectroscopic Investigation of Near Earth Objects: survey spettroscopica a lungo termine per studiare la composizione superficiale dei NEO. Abbiamo uno dei piu estesi set di dati specttroscopici con circa 200 spettri nel visibile e NIR ( micron). Indagini effettuate: classificazione tassonomica, confronto con spettri meteoritici, studio dello space weathering studio di oggetti peculiari come comete addormentate, famiglie di asteroidi, tipi tassonomici rari, Telescopi usati: NTT di ESO (Cile), TNG (Canarie), Asiago, Large Binocular Telescope (Arizona)

12 Osservazioni dallo spazio Partecipazione alla missione spaziale dell ESA ROSETTA con il sistema di imaging OSIRIS, in volo verso la cometa Churyumov Gerasimenko dal 2004: In maggio 2014 Rosetta si avvicinera alla cometa e la seguira per piu di un anno fino a Dicembre Nel Novembre 2014 un piccolo robot, Philae, atterrera sulla sua di superficie. Una enorme quantita di dati fotometrici sara disponibile la cui analisi completa richiedera anni di riduzione e interpretazione. Analisi principali: -Studiare la composizione mineralogica superficiale della cometa -Studiare la variegazione globale e la curva di fase (per mezzo della teoria di Hapke). Fondamentale e lo studio e applicazione del modello di forma del nucleo cometario. -Monitorare aree attive della cometa e i loro cambiamenti (erosioni, processi esplosivi, frammentazioni, collassi,..) a causa dell attivita e studiare i processi fisici coinvolti. -Studio della polvere e della sua evoluzione. -Studiare la composizione del gas della chioma e la sua evoluzione, fondamentale per capire la natura delle molecole genitrici presenti nel nucleo e quindi la composizione del nucleo stesso che e uno degli obiettivi principali della missione.

13 Le Stelle di Neutroni R. Turolla (stanza 237) si formano nel collasso gravitazionale che accompagna un esplosione di supernova sono mantenute in equilibrio dalla pressione del gas degenere di neutroni Crab Pulsar: la stella di neutroni al centro (freccia) e la pulsar wind nebula circostante vista con il satellite Chandra nei raggi X hanno massa di 1-2 M e raggio di circa 10 km densità e campi magnetici estremi, ρ g/cm 3, B G = 10 8 T, paragonabili alla densità nucleare e 10 6 volte più intensi di quelli generati in laboratorio

14 Laboratori per la Fisica Fondamentale ü contengono materia ultra-densa in quantità macroscopica (superconduttività, superfluidità, stati esotici: condensati pionici/kaonici, quark liberi) ü informazioni sull equazione di stato (EOS) della materia a densità supranucleari dalla misura di massa e raggio ü il solo ambiente in cui è possibile studiare il comportamento di materia e radiazione in campi magnetici ultraintensi, B > B QED = 4.4x10 9 T γ e - e +

15 Linee di Ricerca - I Studio osservativo (in banda X e ottica) e modellistico dell emissione termica da stelle di neutroni isolate Misura di raggio e massa Determinazione della EOS! R dal fit spettrale in banda X/ottica con un modello per l emissione termica dalla superficie M/R dalla misura di effetti general-relativistici (red-shift gravitazionale, deformazione dei profili di pulsazione) Distribuzione spettrale della stella di neutroni Isolata RX J R = 12 km

16 Linee di Ricerca - II Studio delle magnetars: stelle di neutroni ultra-magnetizzate (B T) Fisica in campi magnetici ultra-forti: birifrangenza del vuoto, one photon pair production, etc. ħ ω B ~11.6 ( m e /m )( B/ 10 8 T ) kev A B T ħ ω B,electron ~11.6 MeV ħ ω B,protron ~6.3 kev Misura di una riga variabile di ciclotrone protonica nello spettro X della magnetar SGR B ~ T

17 Cosmologia Staff Nicola Bartolo (stanza 236) Michele Liguori (stanza 236) Sabino Matarrese (stanza 238) Ornella Pantano (stanza 237) Giuseppe Tormen Post-docs Frederico Arroja Maresuke Shiraishi Yuko Urakawa (visiting Professor) Dottorandi Dario Cannone Dionysis Karagiannis Karmakar Purnendu Angelo Ricciardone Principali collaborazioni: SISSA Trieste, Univ. di Roma Tor Vergata, Dip. di Astronomia Univ. Bologna, DAMTP (Cambridge, UK), Imperial College (London, UK), ICREA (Barcellona), IAP (Parigi)

18 Linea di ricerca 1: Universo primordiale Inflazione: fase di espansione accelerata causata dall energia del vuoto nell Universo primordiale. Scenario standard per spiegare le prime perturbazioni di densita` da cui hanno avuto origine le strutture cosmiche Modelli inflazionari con campi scalari e/o di gauge (à effective field theory of inflation) Generazione di perturbazioni di curvatura da fluttuazioni quantisiche del vuoto e non-gaussianita primordiale (in-in formalism) Generazione di onde gravitazionali primordiali

19 Linea di ricerca 2: Cosmic Microwave Background Universo primordiale allo stato di plasma, barioni e fotoni fortemente accoppiati. Fotoni intrappolati nel plasma. Dopo la ricombinazione si propagano liberamente Il CMB e` una fotografia dell Universo ~ anni dopo il big bang. Miniera di informazioni sulle condizioni iniziali e sui parametri cosmologici Analisi dati del CMB ad alta risoluzione, in temperatura e polarizzazione: Planck Sviluppo di estimatori statistici per test delle condizioni iniziali Studi teorici e numerici dell evoluzione delle perturbazioni del CMB

20 Angular scale D`[µK 2 ] Planck Multipole moment, `

21 linea di ricerca 3: struttura su grande scala (LSS) Le stelle sono organizzate in galassie, a loro volta raggruppate in ammassi di galassie. L Universo su grandi scale presenta una tipica struttura filamentare (cosmic web), e sono circondati da grandi vuoti. Il contenuto in materia e` dominato da materia oscura non barionica. L espansione dell Universo attuale e` dominata dall energia oscura, che ne determina l accelerazione Ricerca di effetti della non-gaussianita primordiale (inflazionaria) nella LSS Evoluzione delle perturbazioni in modelli con dark energy dinamica (e.g. Galileone) e/o gravita modificata (e.g. f(r)) ed effetti sulla LSS Back-reaction delle perturbazioni cosmologiche e accelerazione cosmica

22 Linea di ricerca 4: simulazioni N-body (LSS) Nel modello cosmologico standard la LSS si forma per collasso gravitazionale delle piccole fluttuazioni primordiali al termine dell inflazione Simulazioni N-body: studiano l evoluzione delle strutture attraverso complessi algoritmi numerici, che mirano a seguire l evoluzione temporale di estese regioni dell Universo. Studio di simulazioni N-body per comprendere proprieta` e struttura degli aloni di materia oscura. Confronto con le osservazioni.

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