RICERCA SCIENTIFICA E PROGETTI TECNOLOGICI

Transcript

1 RICERCA SCIENTIFICA E PROGETTI TECNOLOGICI Allegato A1 al Piano Triennale a cura dei Dipartimenti Scientifici dell INAF con il contributo di Guido di Cocco, Fabio Pasian, Roberto Scaramella e Giovanni Zamorani Aprile 2006 (con aggiornamenti ad Agosto 2006) PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 1 di 79

2 Sezione I : Ricerca di base osservativa e teorica Macro-aree tematiche Con la conclusione delle procedure di afferenza alle macro-aree tematiche da parte dei ricercatori INAF e dei ricercatori associati all INAF, si ha adesso un quadro della distribuzione complessiva degli interessi scientifici di queste comunità fra le cinque macro-aree tematiche. Le tabelle qui sotto riportate mostrano, per ogni macro-area, il numero di ricercatori, sia INAF che associati all INAF, che le ha indicate come propria scelta primaria e secondaria e, in ultima colonna, il totale delle afferenze (primaria + secondaria). TABELLA 1 all. 1 AFFERENZE ALLE MACRO-AREE TEMATICHE DEI RICERCATORI INAF primaria + macro-area primaria secondaria secondaria 1 Galassie e Cosmologia Stelle, Popolazioni stellari e mezzo interstellare Sole e sistema solare Astrofisica relativistica e particellare Tecnologie avanzate e strumentazione TOTALE AFFERENZA PRIMARIA ALLE MACRO-AREE DEI RICERCATORI INAF 95 18% % 82 15% % % PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 2 di 79

3 DISTRIBUZIONE PER MACRO-AREE DEI RICERCATORI INAF primaria secondaria totale TABELLA 2 all.1 AFFERENZE ALLE MACRO- AREE TEMATICHE DEI RICERCATORI ASSOCIATI ALL INAF primaria+ macro-area primaria secondaria secondaria 1 Galassie e Cosmologia Stelle, Popolazioni stellari e mezzo interstellare Sole e Sistema solare Astrofisica relativistica e particellare Tecnologie avanzate e strumentazione TOTALE PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 3 di 79

4 AFFERENZA PRIMARIA DEI RICERCATORI ASSOCIATI ALL'INAF 39 18% 25 12% 59 27% % 35 16% 5 DISTRIBUZIONE PER MACRO-AREE DEI RICERCATORI ASSOCIATI ALL'INAF primaria secondaria totale Il totale degli afferenti alle macro-aree tematiche (scelta primaria) è di oltre 750 ricercatori, di cui circa il 70% composto da ricercatori INAF e il restante 30% da ricercatori associati all INAF (per la maggior parte universitari). Sulla base di questi numeri si può quindi concludere che, quando, all inizio del 2006, le macro-aree entreranno in funzione, esse saranno effettivamente rappresentative dell intera comunità dei ricercatori nel campo dell astronomia e astrofisica in Italia. Per quanto riguarda i ricercatori INAF la distribuzione delle afferenze fra le diverse macro-aree è abbastanza equilibrata. La macro-area più rappresentata, come scelta primaria (~28% degli afferenti), è Stelle, popolazioni stellari e mezzo interstellare, mentre quella meno rappresentata (~15%) è Sole e sistema solare. Quest ultima macro-area è invece stata scelta come afferenza primaria da un alta percentuale dei ricercatori associati all INAF. Un aspetto interessante che si ricava da questa tabella è l alto numero di ricercatori INAF (~ 20%) che riconoscono che la propria attività principale si svolge nell ambito della macro-area Tecnologie avanzate e strumentazione. Ancora maggiore è la percentuale di ricercatori INAF che ha indicato la macro-area Tecnologie avanzate e strumentazione come propria scelta secondaria (circa il 37% di tutti i ricercatori che PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 4 di 79

5 hanno indicato anche una macro-area secondaria). Di conseguenza, questa macro-area ha il maggior numero di afferenti fra i ricercatori INAF (si veda l ultima colonna della Tabella 1 all.1). Anche fra i ricercatori associati all INAF la distribuzione delle afferenze fra le diverse macro-aree è equilibrata (si veda, in particolare, l ultima colonna della Tabella 2 all.1). È interessante notare che circa l 80% del personale docente universitario del settore disciplinare FIS/05 (Astronomia e Astrofisica) ha chiesto di associarsi all INAF e afferisce a una o più delle macro-aree tematiche. Progetti scientifici per il triennio A regime, con l istituzione ed entrata in funzione delle macro-aree tematiche e dei relativi Comitati di macroarea, la definizione delle linee strategiche delle singole aree tematiche, con una elaborazione e discussione dei progetti di ricerca scientifici e tecnologici principali, avverrà all interno delle macro-aree tematiche. I progetti proposti dalle macro-aree verranno poi posti in ordine di priorità secondo le procedure descritte nel Disciplinare relativo al flusso decisionale per la formazione ed approvazione del Piano Triennale dell Ente, approvato dal Consiglio di Amministrazione nella seduta del 28 luglio Le priorità per questi progetti, definite sulla base delle qualità scientifiche dei progetti stessi, delle linee strategiche definite dal Consiglio di Amministrazione e del Piano a Lungo Termine definito dal Consiglio Scientifico, e le raccomandazioni relative, verranno trasmesse ai Direttori dei Dipartimenti come input per l elaborazione del Piano Triennale. Per quanto riguarda questo Piano Triennale ( ), non si è ancora potuto mettere in pratica questa procedura, che, come si è detto, vedrà coinvolta l intera comunità scientifica dell INAF nella preparazione del Piano Triennale dell Ente. Comunque, per avere un quadro il più completo ed esauriente possibile dei progetti su cui la comunità scientifica INAF intende impegnarsi nel prossimo triennio, nei mesi scorsi è stata fatta, da parte dei Direttori dei Dipartimenti, una richiesta all intera comunità astronomica (sia ricercatori INAF che ricercatori associati all INAF), di presentazione di bozze di proposte di ricerca che possano configurarsi come possibili progetti nazionali per il prossimo triennio. La risposta a questa richiesta è stata numerosa (oltre 220 progetti). Questi progetti, che coprono l intero spettro delle attività scientifiche e tecnologiche, possono essere approssimativamente suddivisi, in base alla macro-area di interesse prevalente, come mostrato nella Tabella 3 all.1 Questa tabella, che sinteticamente riporta, oltre al numero di progetti per macro-area, anche l impegno previsto in mesi-uomo/anno, come media nel triennio, di ricercatori INAF, di altri enti, di personale in formazione già assegnato e da acquisire, mostra alcuni dati interessanti: PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 5 di 79

6 TABELLA 3 all.1 PROGETTI PRESENTATI E IMPEGNO PREVISTO IN MESI-UOMO/ANNO MACRO-AREA N. Prog. Mesi (INAF) Mesi (Altri enti) Personale in formazione già assegnato da acquisire 1.Galassie e Cosmologia Stelle, popolazioni stellari e mezzo interstellare Sole e sistema solare Astrofisica relativistica e particellare Tecnologie avanzate e strumentazione Totale DISTRIBUZIONE PER MACRO-AREE DEI PROGETTI PRESENTATI 40 18% 88 38% % % 31 14% 5 PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 6 di 79

7 DISTRIBUZIONE DELL'IMPEGNO PREVISTO (mesi-uomo/anno) altri enti INAF DISTRIBUZIONE DELLE PERSONE IN FORMAZIONE a assegnati da acquisire La distribuzione dei progetti fra le quattro aree scientifiche approssimativamente rispetta la distribuzione del numero di ricercatori che in esse si riconoscono. 2. Esiste un alta percentuale di progetti (~39%) di interesse prevalente nella macro-area tecnologie avanzate e strumentazione. Questa percentuale è notevolmente più alta di quella corrispondente fra le afferenze alle macro-aree. Questo fatto può essere interpretato come una naturale tendenza delle attività sperimentali e strumentali ad organizzarsi in progetti coordinati di interesse nazionale, come era richiesto dal formato delle schede-progetto. 3. Il numero di mesi-uomo/anno INAF e di personale di altri Enti mostra che in tutte le macro-aree esiste una significativa e proficua collaborazione con il personale degli altri Enti; il rapporto fra mesi-uomo del personale di altri Enti e mesi-uomo del personale INAF è tipicamente dell ordine del (30-40)%, con un picco dell 80% per la macro-area Sole e sistema solare (si veda più sopra il commento relativo alle afferenze per questa macro-area). PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 7 di 79

8 La Tabella 4 all.1 riporta, a titolo indicativo, i fondi che i proponenti ritengono necessari, come finanziamento INAF per il 2006, per svolgere i progetti scientifici che afferiscono in modo prevalente alle prime quattro macro-aree (per quanto riguarda i progetti che afferiscono in modo prevalente alla macro-area Tecnologie avanzate e strumentazione si veda la sezione II Progetti tecnologici e strumentali ). I fondi richiesti e riportati in tabella per ogni macro-area sono suddivisi nelle tre voci di investimento, funzionamento e personale a contratto da acquisire. Un analisi di questa tabella mostra che, per quanto riguarda le prime quattro macro-aree scientifiche, le richieste finanziarie all INAF per il 2006 (quelle per gli anni successivi sono dello stesso ordine di grandezza) per progetti che i proponenti ritengono possano qualificarsi come progetti di interesse nazionale ammontano a circa 9.5 MEuro. Il totale dei finanziamenti che i proponenti ritengono di richiedere per gli stessi progetti ad altri Enti (tipicamente ASI, MIUR, Comunità Europea) è dell ordine del 50% dei fondi richiesti all INAF (~ 4.5 MEuro). La richiesta all INAF per 9.5 Meuro è pari a circa 9 volte il budget assegnato a tali progetti nel bando emesso da INAF nel Per un più corretto confronto fra richieste e impegno finanziario da parte dell INAF nel 2005, è tuttavia da sottolineare che più di un terzo delle richieste finanziarie si riferiscono a contratti, nuovi o da rinnovare. La cifra complessiva impegnata da INAF per borse nel 2005 è stata di 1.45 Meuro (0.4 Meuro per borse post-doc e 1.05 per borse di dottorato). Inoltre, è da tenere anche presente il cofinanziamento che INAF ha dato finora al PRIN-MIUR, che va anch esso ad aumentare il sostegno INAF alla ricerca di base, come pure quella parte dell FFO (circa 20% nel 2006) che viene usato dalle Strutture di ricerca INAF per la ricerca di base libera. TABELLA 4 all.1 NECESSITÁ FINANZIARIE DEI PROGETTI PRESENTATI (k ) macro-area invest. funzion. contratti totale 1 Galassie e cosmologia Stelle, popolazioni stellari e mezzo interstellare Sole e sistema solare Astrofisica Particellare TOTALE ******************************************************************************** Nota alla Tabella: 1 Le richieste finanziarie in schede di progetti che si riferiscono in modo prevalente ad una macroarea sono assegnate interamente a quella macro-area; quelle in schede di progetti che si riferiscono in modo paritario, cioè con la stessa percentuale, a due o più macro-aree prevalenti sono suddivise equamente fra queste macro-aree. ******************************************************************************** PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 8 di 79

9 NECESSITA' FINANZIARIE DEI PROGETTI PRESENTATI contratti funzionamento investimenti In ogni caso, la sostanziale differenza fra i fondi che la comunità ritiene necessaria per svolgere le ricerche proposte e il budget che l INAF può ragionevolmente attribuire a questi progetti, anche assumendo una sovrastima, da parte dei proponenti, delle necessità finanziarie per svolgere questi programmi, rivela comunque un atteggiamento positivo, altamente propositivo, della comunità INAF. Allo stesso tempo, sottolinea la necessità di continuare nello sforzo, già positivamente avviato nel 2005, di aprire alla comunità INAF canali di finanziamento esterni (e.g. contratti con ASI, gestiti da INAF) e di implementare al più presto le procedure di identificazione delle linee strategiche di area, attraverso la discussione dei progetti all interno delle macro-aree e successiva definizione delle priorità e selezione dei progetti da finanziare. In attesa di tali procedure, è tuttavia possibile, sulla base delle schede ricevute, individuare fin da ora, anche se in modo schematico, all interno di ciascuna macro-area, i filoni di ricerca principali su cui la comunità intende impegnarsi nel prossimo triennio. Macro-area 1 : Galassie e Cosmologia Analisi della radiazione di fondo (CMB) e implicazioni cosmologiche Entro il triennio inizierà l analisi dei dati di Planck (lancio previsto nel 2007). La comunità italiana ha la responsabilità dell attività di riduzione dei dati LFI (centralizzata nel Data Processing Center con sede a Trieste) ed è notevolmente coinvolta anche nell esperimento HFI. Alcuni degli obiettivi primari di Planck (osservazione ad elevata accuratezza delle anisotropie di temperatura e di polarizzazione; determinazione dell origine ed evoluzione delle perturbazioni e della natura della materia e dell energia oscura; determinazione accurata dei parametri cosmologici e delle proprietà geometriche globali dell Universo) sono gli obiettivi oggi più avanzati nel campo della cosmologia. Le tecniche di analisi di questi dati, già applicate con successo a missioni come BOOMERanG (l analisi dati dell esperimento BOOMERanG-B03 verrà completata a breve), pur avendo ormai PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 9 di 79

10 raggiunto un alto livello di sofisticazione, devono essere continuamente sviluppate per produrre mappe ottimali del CMB a partire da insiemi di dati ordinati temporalmente, con sottrazione ottimale di sistematiche strumentali e di foregrounds locali. In questo campo ci si aspetta che nel prossimo triennio si ottengano risultati di grande impatto. Sempre relativamente alla CMB, un aspetto particolarmente interessante è lo studio del rapporto fra emissione polarizzata nella CMB e modelli cosmologici per ricostruire la storia della reionizzazione del mezzo intergalattico e le proprietà dell inflazione. Progetti per questo tipo di analisi sono stati sviluppati negli anni scorsi e sono tuttora in corso. I dati sulla CMB saranno anche combinati con quelli sulle Supernovae Ia e sui gamma ray bursts per ricostruire, con traccianti indipendenti e ciascuno ottimizzato su un diverso intervallo di redshift, la storia cosmica dell energia oscura dall Universo locale fino alla superficie di ultimo scattering. Evoluzione cosmologica delle galassie e della struttura a grande scala attraverso surveys spettroscopiche a magnitudini deboli e fotometriche a varie lunghezze d onda di galassie di campo e in ammassi. Nella nuova era post-wmap, che ha fissato il cosiddetto paradigma CDM, e prima dei risultati ancora migliori che si otterranno con Planck, la sfida più urgente nel campo della cosmologia osservativa è capire l'interazione tra i diversi meccanismi fisici che hanno plasmato le galassie e le strutture su grande scala così come le vediamo oggi e ricostruire il legame evolutivo tra struttura a grande scala (ambiente) e morfologia, dimensioni, luminosità, massa e proprietà spettrali delle galassie. Oggi questi studi si possono spingere per la prima volta a quelle distanze, 1 < z < 4, dove ci si aspetta sia avvenuta la maggior parte dell aggregazione di massa e di formazione stellare negli sferoidi e dove ancora oggi molti dei modelli teorici di formazione delle galassie hanno difficoltà a spiegare alcune delle evidenze osservative che si stanno rapidamente accumulando. In questo ambito si pongono anche programmi che si propongono si utilizzare con il massimo di efficienza gli archivi delle missioni Spitzer e ISO, fondamentali per lo studio delle proprietà e dell evoluzione delle galassie ad alto redshift, ma anche delle galassie locali e delle proprietà locali e globali della formazione stellare, e le osservazioni radio profonde in regioni di cielo con notevole copertura fotometrica e spettroscopica nell ottico e in altre bande (natura ed evoluzione della popolazione radio debole; effetti ambientali sulla produzione/soppressione di radiosorgenti; evoluzione fisica delle radiosorgenti in AGN). Oltre agli studi statistici sull evoluzione delle galassie ad alto redshift, delle radiogalassie e sulle proprietà delle loro SEDs (spectral energy distribution), studi dettagliati delle proprietà (popolazioni stellari, cinematica interna, luminosità e massa) di galassie in ammassi vengono oggi svolti fino a z ~ 1. In parallelo, gli ammassi di galassie vengono studiati in dettaglio, in particolare a partire da osservazioni nella banda X, sia per ottenere informazioni dettagliate della fisica del mezzo intracluster negli ammassi locali che per derivare le loro proprietà di evoluzione col redshift. Nell ambito della storica tradizione italiana di studi a varie lunghezze d onda, vari gruppi di ricercatori INAF sono attualmente coinvolti, con forti collaborazioni internazionali, in alcune delle survey di punta in questo campo in tutte le lunghezze d onda, dall ottico (e.g. VVDS, COSMOS, GMASS che fanno un uso estensivo dei maggiori telescopi ottici: VLT e, in prospettiva, LBT e VST), al radio (VLA, Westerbork), all infrarosso (ISO e Spitzer), all X (Chandra e XMM). PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 10 di 79

11 L interpretazione teorica dei risultati di queste surveys, tendenzialmente interessate allo studio di galassie e strutture ad alto redshift, ha ovviamente bisogno di un solido punto zero locale (a z ~ 0) sulle proprietà delle galassie e degli ammassi. Vari gruppi stanno lavorando, con approcci diversi, in questo campo, con lo scopo di: a. studiare, in campioni locali, l impatto dell ambiente sulle proprietà delle galassie attraverso l analisi di dati a diverse lunghezze d onda, campionando ambienti e lunghezze di scale diverse; b. definire le proprietà delle galassie di ammasso in funzione delle proprietà dell ammasso stesso e dell ambiente locale; c. ricavare e studiare le proprietà statistiche delle ancora enigmatiche galassie a bassa brillanza superficiale, il cui ruolo nella teoria di formazione delle strutture e nello studio delle caratteristiche della materia oscura è ancora poco chiaro. Studio della distribuzione di materia oscura sia su grande scala (weak lensing) che intorno a galassie individuali Il primo filone di ricerca, finora relativamente poco sviluppato in Italia, potrà contare nel prossimo triennio sulla spinta che verrà dall analisi di dati di alcune delle surveys con VST sia in tempo garantito che, eventualmente, surveys selezionate come public surveys (KIDS). Il secondo filone di ricerca si propone di ottenere stime di distribuzione di massa con un approccio osservativo coordinato, usando una combinazione di vari traccianti dinamici. Nuclei Galattici Attivi Anche in questo campo esiste in ambito INAF una notevole attività che copre l intero spettro delle proprietà di emissione di tali oggetti, dal radio fino alle alte energie (raggi X e gamma). Fra questi progetti ricordiamo: a. studio della fisica degli AGN radio loud e dell evoluzione delle radiosorgenti da piccola grande scala: determinazione della massa del buco nero centrale; età, energetica e cinematica delle radiosorgenti; effetti indotti dal mezzo esterno b. studio dell evoluzione e delle proprietà fisiche degli AGN da survey X e ottiche: in questo contesto ci si propone di derivare, anche attraverso programmi di osservazione a multifrequenza e nell ambito di ampie collaborazioni internazionali, una stima dell evoluzione cosmologica dei processi di accrescimento, la cui emissione è in gran parte assorbita da materiale circumnucleare e la relazione fra attività nucleare e ambiente circostante. Particolarmente interessante in questo contesto, anche ai fini di meglio vincolare i modelli di unificazione, è lo studio e caratterizzazione degli AGN assorbiti di alta luminosità e le proprietà del mezzo circumnucleare (geometria, composizione) in funzione della luminosità e/o del redshift; PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 11 di 79

12 c. studio del collegamento fra parametri osservativi e i principali parametri fisici degli AGN: a. massa, b. rapporto massa/luminosità, c. rapporti di Eddington, d. orientazione anche attraverso l uso di spettroscopia a integral field con lo scopo di identificare e studiare le regioni circumnucleari con differenti proprietà fisiche, chimiche e cinematiche e identificare tracce di episodi di formazione stellare recente; d. monitoraggio multi-frequenza (ottico NIR radio) di blazars: all interno di una grande collaborazione internazionale (Whole Earth Blazar Telescope), si studiano le proprietà di variabilità su diverse scale temporali, per meglio comprendere i meccanismi di emissione all interno del getto relativistico che caratterizza questi oggetti. Un nuovo impulso a questi progetti di monitoraggio multi-frequenza verrà con il prossimo lancio di AGILE. Sulla base dei dati di AGILE si organizzeranno campagne di monitoraggio a varie lunghezze d onda di campioni selezionati di AGN rivelati nei raggi gamma, con campagne di osservazione su vari tempi scala da giorni/settimane (per AGN durante flares gamma) a mesi/anni. In queste campagne di monitoraggio di oggetti altamente variabili sarà anche utilizzato il telescopio robotico REM, quando non attivo nelle osservazioni dei GRB. L analisi delle distribuzioni spettrali di energia costruite con dati simultanei dal radio al gamma permetterà di stimare i parametri dei principali meccanismi di emissione per un numero consistente di oggetti. Questi dati verranno confrontati con le previsioni teoriche di nuovi modelli sulla variabilità di blazar su diversi tempi scala che verranno sviluppati nei prossimi anni. Determinazione della massa di buchi neri super-massicci in un campione rappresentativo di galassie attive e quiescenti a basso e alto redshift Questa linea di ricerca, che richiede l uso di dati di alta qualità da telescopi sia da terra (e.g. VLT e LBT) che dallo spazio (HST), per potere anche cercare correlazioni fra tale massa e quella delle varie componenti delle galassie ospiti (alone oscuro, sferoide, disco), può portare a una migliore determinazione della funzione di massa locale dei buchi neri ed è anche strettamente legata alla problematica dell evoluzione della storia di accrescimento affrontata nello studio di evoluzione degli AGN (oscurati e no) e più in generale della formazione ed evoluzione delle galassie (coevoluzione delle galassie e buchi neri super-massicci) Studio di sistemi di assorbimento dei quasar Studio finalizzato ad ottenere una migliore comprensione sia delle proprietà fisiche del mezzo intergalattico (interazione fra IGM, galassie, quasars e fondo cosmico) che delle galassie DLA (damped Lyman α) (rapporti di abbondanze formazione dei metalli e della polvere ad alto redshift) e per effettuare test di fisica di base (e.g. variabilità della costante di struttura fine). PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 12 di 79

13 In parallelo a queste attività, più propriamente osservative, sono previste anche importanti attività teoriche o teorico/interpretative, come, ad esempio: a) Simulazioni idrodinamiche di avanguardia, in termini di risoluzione e descrizione dei processi di interesse astrofisico, per lo studio dello sviluppo della struttura di grande scala dell Universo e dei processi di formazione ed evoluzione delle galassie e ammassi di galassie e simulazioni numeriche per studiare la stabilità di dischi barionici in aloni di massa oscura, approfondendo lo studio delle influenze reciproche fra diverse componenti (gas, stelle, materia oscura). b) Sviluppo di modelli teorici di Universo primordiale, con particolare riferimento a diversi tipi di energia oscura; c) Studio, sia teorico che sperimentale, dei processi che determinano la formazione e l evoluzione della polvere in galassie, proto-galassie e AGN. Questi studi, motivati fra l altro dalla recente scoperta, da parte di ricercatori INAF, della presenza di notevoli quantità di polvere in oggetti ad alto redshift (quando l Universo aveva un età inferiore a 10 9 anni), possono avere importanti ricadute sull interpretazione di dati osservativi di galassie e AGN sia locali che ad alto redshift. A metà strada fra la macro-area Galassie e cosmologia e la macro-area Stelle, popolazioni stellari e mezzo interstellare si pongono progetti che si propongono di: a) preparare la comunità italiana all utilizzo scientifico di ALMA, acquisendo esperienza sia nelle tecniche osservative nella banda millimetrica e sub-millimetrica, sia nell interpretazione dei dati così ottenuti. Fra gli scopi di questo progetto c è quello di selezionare campioni di sorgenti che possano essere osservati con ALMA, quando questo sarà operativo, ed elaborare modelli teorici in grado di fornire previsioni per future osservazioni con ALMA. Infine ci si ripromette di formare studenti e post-doc in questa area di ricerca; b) coordinare e supportare le attività preparatorie per JWST (James Webb Space Telescope), con particolare riguardo ai due strumenti MIRI (camera/spettrografo nel medio infrarosso) e NIRSpec (spettrografo nel vicino infrarosso), nella cui definizione dei programmi di tempo garantito sono coinvolti vari ricercatori italiani; c) coordinare e supportare l attività scientifica nel campo dell ottica adattiva, una delle tecnologie di punta dell astronomia moderna, in cui vari strumenti già sono (Adopt@TNG, NACO e SINFONI all ESO) o presto saranno a disposizione della comunità PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 13 di 79

14 italiana (secondario adattivo a LBT). Ci si propone di dare impulso alle attività scientifiche in questo campo, favorendo il coordinamento fra gruppi tecnologici e scientifici italiani e con i gruppi internazionali, fornendo strumenti per la preparazione delle osservazioni e sviluppando i casi scientifici per l uso dei nuovi strumenti di Ottica Adattiva. Macro-area 2 : Stelle, Popolazioni Stellari e Mezzo Interstellare Ricerca e studio di pianeti extra-solari La ricerca e studio dei pianeti extra-solari rivestono un ruolo sempre più importante nel panorama astronomico internazionale (e.g. HARPS@ESO) e anche italiano (e.g. SARG@TNG). Nell ambito di un ampia collaborazione sia nazionale che internazionale ci si propone di proseguire le ricerche di pianeti con varie tecniche (e.g. velocità radiali, transiti), di caratterizzare le stelle con pianeti e di studiare gli effetti indotti dai pianeti sull attività stellare e di preparare la comunità all uso scientifico di Planet Finder al VLT. La OmegaCam Transit Survey, permettendo di monitorare simultaneamente alcune centinaia di migliaia di stelle, ha un ottima potenzialità per sviluppare un programma di ricerca di transiti planetari. La polvere nel mezzo interstellare Lo studio della polvere nel mezzo interstellare richiede un approccio fortemente interdisciplinare che comprende, fra l altro, studi di laboratorio, osservazioni di nubi interstellari, studio delle proprietà della polvere nelle nubi oscure interstellari. Una migliore comprensione delle proprietà e caratteristiche delle polveri è anche essenziale per l interpretazione dei dati fotometrici di galassie lontane. L attività solare e stellare in diverse fasi evolutive, dalle stelle di pre-sequenza a quelle più vecchie della Galassia. Nell ambito di un ampia collaborazione nazionale ci si propone di studiare gli aspetti dell attività stellare attraverso osservazioni a tutte le frequenze, dal radio all X, di stelle, fino alle più peculiari e attive, al fine di ottenere una migliore conoscenza sperimentale del comportamento del plasma magnetizzato. Per spiegare questi dati si svilupperanno anche massicci codici per calcoli di magnetoidrodinamica che richiederanno l uso di supercalcolatori. Studi di stelle a varie frequenze: a) Radio-astronomia stellare Osservazioni radio sia a singola antenna che interferometriche possono essere molto utili per lo studio delle atmosfere estese stellari e degli inviluppi circumstellari per stelle in posizioni diverse del diagramma HR (e.g. studio dei venti e della perdita di massa da stelle O-B; studio degli PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 14 di 79

15 inviluppi circumstellari in stelle AGB, post-agb e nebulose planetarie; proprietà radio delle corone di stelle e sistemi binari attivi). b) Osservazioni ad alta energia (banda X) di stelle e popolazioni stellari Questo filone di ricerca, basato sull uso combinato di osservazioni in banda X e di osservazioni fotometriche e spettroscopiche in ottico, mira a studiare vari aspetti della formazione e delle prime fasi dell evoluzione stellare, come, ad esempio, le proprietà delle stelle dalle prime fasi della loro formazione, l evoluzione del momento angolare, l emissione nei raggi X associata ai getti protostellari e la sua evoluzione temporale, le proprietà globali delle popolazioni stellari nella Galassia. Un altro progetto è indirizzato allo studio in banda X e in altre lunghezze d onda di novae in outburst e in quiescenza e di sorgenti X super-soffici (possibili progenitori delle SNeIa) nella Galassia e nel Gruppo Locale. c) Interferometria infrarossa Ci si propone di dare impulso, anche mediante l istituzione di un Centro di supporto nazionale, all attività scientifica della comunità astronomica italiana nel campo dell interferometria sia al VLTI che, nel prossimo futuro, a LBT, sia sviluppando programmi scientifici (e.g. osservazioni di getti stellari) e nuovi metodi di riduzione dati che affrontando i principali aspetti tecnologici legati allo sviluppo di strumentazione interferometrica e incrementando la collaborazione su queste tematiche all interno della comunità astronomica italiana e con altri gruppi in Europa. Perdita di massa Ci si propone di studiare, sia dal punto di vista osservativo che teorico, la perdita di massa da venti in stelle calde di popolazione I e II e in AGB. La perdita di massa è spesso assunta stazionaria e sferica, ma risultati teorici e varie evidenze osservative indicano che questa assunzione non è probabilmente valida. Si cercherà quindi di riprodurre i dati ottici, infrarossi e radio con modelli NLTE. Stelle variabili Per fornire un adeguato scenario empirico ai modelli teorici di variabilità nelle stelle, ci si propone di analizzare una grande quantità di dati fotometrici (sia da terra che dallo spazio) e spettroscopici ad alta risoluzione di ammassi globulari e galassie sferoidali nane del gruppo locale al fine di ottenere un censimento completo delle variabili (intrinseche e binarie) in questi sistemi stellari. Supernovae Nell ambito di un ampia collaborazione nazionale, con forti collegamenti internazionali, ci si propone uno studio coordinato, con obiettivi scientifici ben definiti sia nel campo osservativo (e.g. definire i parametri osservativi e fisici delle SneIa, consolidare la relazione fra le distanze ricavate con la Tully-Fisher e quelle con le SNeIa, studiare la correlazione fra SNe e GRB, studiare l evoluzione della frequenza delle SNeII e Ib/c dall Universo locale fino a z ~ per ottenere PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 15 di 79

16 una stima della storia della formazione stellare su questo intervallo di redshift), che in quello teorico (e.g. sviluppare la trattazione sia delle SNe core-collapse che di quelle termonucleari). Ammassi aperti Sulla base di una gran quantità di dati, spettroscopici e fotometrici, sia da terra che dallo spazio, ci si propone di usare gli ammassi aperti come strumento di indagine di una varietà di tematiche legate alla struttura ed evoluzione stellare e alla formazione ed evoluzione della Galassia, come, ad esempio, l importanza dell accrescimento di satelliti e di processi di collasso dissipativo nella formazione della Galassia e lo studio dei processi di mixing negli interni stellari. Alcuni dei risultati aspettati, su breve scala temporale, sono la determinazione dei gradienti radiali di metallicità nel disco e la loro evoluzione temporale, il confronto delle proprietà chimiche degli ammassi aperti con quelle delle popolazioni di bulge e alone, lo studio degli elementi leggeri, traccianti dei processi di rimescolamento. Questi ammassi verranno usati anche per ottenere stime sulla funzione di massa iniziale e sulla storia di formazione stellare a partire dalle prime fasi all interno delle nubi molecolari. Ammassi globulari Lo studio degli ammassi globulari è uno dei campi tradizionali della ricerca astrofisica italiana. Nell ambito di un ampia collaborazione nazionale, con forti collegamenti internazionali, ci si propone di affrontarne lo studio, sia osservativo che teorico, lungo tre filoni principali: a) astro-archeologia: gli ammassi globulari come traccianti della storia di formazione delle galassie che li ospitano; b) astro-dinamica: effetti dell evoluzione dinamica sull evoluzione passiva delle stelle e dell interazione con il potenziale mareale delle galassie che li ospitano; c) astro-templates: gli ammassi globulari come archetipi di popolazioni stellari di diversa età e metallicità, per l interpretazione dei sistemi stellari non risolti. Struttura e fenomeni di accrescimento della Galassia e interazioni con le Nubi di Magellano La storia di formazione della nostra Galassia verrà ricostruita mediante l uso combinato di osservazioni cinematiche, chimiche e l analisi delle popolazioni stellari che permetteranno una migliore definizione e caratterizzazione dei maggiori sistemi stellari associati con fenomeni di accrescimento sulla Via Lattea. La struttura della Galassia verrà anche studiata in una delle survey GTO con VST (STREGA), che si propone, fra l altro, attraverso l osservazione di un area di 150 gradi quadrati, di studiare proprietà fondamentali come l età del disco, la funzione di massa iniziale, il tasso di formazione stellare e l importanza della massa oscura e fornire un esteso data-base di conteggi stellari da confrontare con le predizioni di modelli galattici. Infine, verrà riesaminata la storia passata del complesso Via Lattea + Nubi di Magellano per cercare di capire, anche sulla base di correlazioni fra le storie di formazione stellare dedotte dal contenuto stellare in queste galassie e le loro interazioni dinamiche, se le tre galassie abbiano sempre fatto parte di un sistema legato o siano state catturate sotto l effetto del campo gravitazionale generale del Gruppo Locale. PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 16 di 79

17 Evoluzione di galassie risolte Anche in questo campo, sviluppatosi particolarmente negli ultimi anni attraverso l uso di dati da telescopi spaziali (e.g. HST), la comunità italiana è molto attiva. Dallo studio dettagliato di galassie vicine risolte (fino a Mpc) di tutti i tipi morfologici si intende ricavare le proprietà evolutive (età, metallicità, dinamica) delle popolazioni stellari, la storia di formazione stellare e calcolare modelli chemio-dinamici che forniscano i più probabili scenari evolutivi di ellittiche, spirali e galassie nane. Interessanti applicazioni in questo campo saranno anche lo studio approfondito della Piccola Nube di Magellano e delle sue strutture minori e una survey delle galassie nane del Gruppo Locale, nell ambito delle surveys in tempo garantito con VST, come pure notevole sarà il contributo di osservazioni multi-colore profonde con LBC. La scala delle distanze dall Universo locale a quello cosmologico Ci si propone di definire una scala delle distanze omogenea, in cui le incertezze dovute ai diversi indicatori siano inferiori al 10%. Tale scopo si otterrà attraverso la calibrazione affidabile dei principali indicatori primari con metodi osservativi e teorici diversi e indipendenti, la verifica rigorosa della loro consistenza e il loro successivo utilizzo per ancorare saldamente gli indicatori secondari necessari per misurare le distanze cosmologiche. Partecipazione italiana a GAIA Esiste un ampia comunità italiana interessata a continuare a contribuire allo sviluppo della missione (caso scientifico, strumentazione astrometrica e spettrofotometrica, riduzione dati), come indicato nella Letter of Intent inviata all ESA nel marzo Lungo le linee lì indicate, si intende proseguire nella preparazione in vista dell Announcement of Opportunity dell ESA, nella organizzazione della struttura italiana e nella definizione e sperimentazione del sistema di calcolo e della struttura informatica per l Unità di Quality Assurance & Validation. Astrofisica stellare teorica Formazione stellare e planetaria Nell ambito di un ampia collaborazione nazionale, già da tempo avviata, si intende proseguire, a vari livelli, una serie coordinata di studi nel campo della formazione stellare e planetaria, definendo le caratteristiche delle nubi molecolari e delle proto-stelle, le proprietà e l evoluzione degli oggetti stellari giovani (e.g. stabilità e caratteristiche fisiche e radiative di getti collimati di materia associati a queste stelle (Marie Curie RTN JETSET)) e migliorando la comprensione dei più importanti processi che determinano l evoluzione dei dischi circumstellari (dipendenza dalle condizioni ambientali ) e influiscono sulla formazione dei sistemi planetari (evoluzione della polvere nei dischi, formazione di planetesimi). PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 17 di 79

18 Questi studi si avvarranno anche, dal punto di vista osservativo, dei dati provenienti dalla survey con VST (VISPO), che si propone di studiare la funzione di massa iniziale delle stelle di massa piccola e degli oggetti sub-stellari nelle nubi cometarie di Orione. Le prime generazioni stellari In questo filone di ricerca ci si propone di studiare la natura delle prime generazioni stellari (PGS), determinando la funzione di massa iniziale primordiale mediante modelli di formazione stellare nel quadro di accrescimento da disco, producendo modelli evolutivi di stelle primordiali seguendone anche la relativa esplosione, e studiando il processo di formazione delle galassie seguendone l arricchimento in metalli ad opera di generazioni stellari successive. Questi studi sulle prime generazioni stellari hanno importanti risvolti cosmologici; infatti, le PGS sono molto probabilmente responsabili della reionizzazione dell Universo ad alto redshift e hanno prodotto i primi elementi, oltre quelli prodotti nel Big Bang. Modelli di evoluzione stellare Vari progetti in questo campo, cui afferiscono diversi sotto-insiemi della forte comunità teorica italiana di evoluzione stellare, si propongono avanzamenti significativi in diversi campi, come, ad esempio: a. struttura ed evoluzione stellare (e.g. nucleosintesi stellare avanzata con particolare attenzione alle fasi in cui i tempi scala della fusione nucleare sono più lunghi dei tempi di turnover convettivo; modellistica della turbolenza stellare; sviluppo di modelli rotazionali) b. evoluzione dei sistemi binari e fenomeni di accrescimento (e.g. evoluzione con scambio di massa con formazione di oggetti compatti; evoluzione secolare delle binarie X e pulsar al millisecondo; struttura ed evoluzione degli oggetti collassati isolati e in binaria); c. applicazione dell astrosismologia al problema dell evoluzione stellare e, in particolare allo studio della struttura e dinamica degli interni stellari. L astrosismologia permette di ottenere informazioni dirette sulle proprietà vibrazionali delle stelle in diverse regioni del diagramma HR. Questi studi, sia dal punto di vista osservativo che da quello interpretativo teorico, avranno un notevole impulso dall accesso della comunità italiana ai dati che verranno ottenuti da COROT (COnvection, Rotation and planetary Transits), il cui lancio è previsto nella seconda metà del d. astrofisica nucleare, per la misura in laboratorio (laboratori INFN del Gran Sasso) di reazioni termonucleari e decadimenti di specie instabili che avvengono all interno delle stelle; e. sviluppo di codici idrodinamici con convezione dipendente dal tempo che consentano di calcolare le proprietà delle variabili semi-regolari (RGB) e delle Mira (AGB); f. nucleosintesi in stelle di massa piccola e intermedia nelle loro fasi finali di evoluzione, con un riesame della fisica di fasi quali il bruciamento in shell dell H e He, caratterizzate da fenomeni di mescolamento ancora poco noti; PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 18 di 79

19 g. implementazione di tecniche per il trattamento dei fenomeni convettivi attraverso l uso di teorie non locali; h. estensione dei networks di combustione per le stelle massicce e AGB; i. descrizione più accurata della fisica delle atmosfere stellari con un trattamento più realistico dei venti stellari e dell arricchimento in metalli prodotto da fenomeni di dredge-up. Infine, si intende anche sviluppare e fornire alla comunità un set di strumenti teorici di riferimento (tracce evolutive stellari e relative isocrone per popolazioni stellari semplici sia nel piano teorico che in quello osservativo; modelli di atmosfere stellari e spettri sintetici) che possano essere usati nello studio di ammassi aperti e globulari della Galassia, come pure in analisi di abbondanze di singole stelle e nello studio spettro-fotometrico delle galassie esterne. Campi magnetici stellari I campi magnetici svolgono un ruolo importante nell attività stellare. Ci si propone di proseguire nello sviluppo di modelli sulla generazione e intensificazione del campo magnetico all interno delle stelle (convezione + rotazione), la loro modulazione spaziale e temporale e di studiare la correlazione fra campi magnetici e binarietà e presenza di pianeti extrasolari. Sviluppo di modelli magneto-idrodinamici Si intende ulteriormente sviluppare modelli magneto-idrodinamici, già esistenti, per applicarli allo studio della fisica delle corone solari e stellari (meccanismi di riscaldamento e confinamento della corona) e della dinamica dell interazione di shock di supernova con disomogeneità del mezzo interstellare in presenza di campi magnetici. I risultati di questi modelli verranno confrontati con le osservazioni per stimare l importanza relativa di tutti i meccanismi fisici in gioco. Studio dell evoluzione dinamica di sistemi stellari L evoluzione dinamica di vari sistemi stellari (alone galattico; il sistema degli ammassi globulari nelle galassie; accrescimento di buchi neri massicci al centro delle galassie) verrà studiata con metodologie di supercalcolo. Macro-area 3: Sole e Sistema Solare A) Sole PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 19 di 79

20 Partecipazione scientifica al progetto International Living With a Star Nell ambito del programma International Living With a Star (ILWS), cui partecipa un ampia e qualificata parte della comunità solare italiana attraverso l ASI, operano oggi un insieme di sonde, cui l Italia ha contribuito in modo sostanziale, dedicate all osservazione del sistema sole-eliosferamagnetosfera. In questo quadro ci si propone di proseguire l attività scientifica per l analisi dati Sole e Plasma (SOHO, CLUSTER, Ulysses, programma GIFINT), finanziata dall ASI e in cui già si sono ottenuti risultati rilevanti, e di definire obiettivi scientifici e strumentazione per future missioni di ILWS come il Solar Orbiter, in vista della selezione degli strumenti da parte ESA. COST (Cooperation in Science and Technology) 724 on Space Weather L Italia è uno dei 27 paesi che partecipano all azione 724, che vede il coinvolgimento di astronomi italiani a vario livello anche attraverso l attività dell Osservatorio SVIRCO (studio della radiazione cosmica e sviluppo della relativa strumentazione). Nell ambito di questo programma ci si propone di sviluppare il coordinamento della ricerca europea sulla modellistica e previsione dello Space Weather (monitoraggio dell ambiente Sole Terra e impiego di modelli per prevedere lo stato del sistema Sole Terra), promuovere nuova strumentazione e definire standard per i dati. Nell ambito della rete europea per lo Space Weather si inseriscono anche le osservazioni radiopolarimetriche, con alta risoluzione temporale, del Sistema Radio Solare di Trieste, un sistema di due radiopolarimetri multicanale che monitora in modo continuo l attività radio della corona solare a varie frequenze. Fenomeni dinamici e magnetici Si intende contribuire in maniera sostanziale alle conoscenze riguardo vari argomenti di fisica solare, con particolare enfasi sui fenomeni dinamici e magnetici, studiati ad alta risoluzione spaziale, spettrale e temporale, anche attraverso un miglioramento della strumentazione per osservazioni solari da Terra (IBIS) Coronal mass ejection Nell ambito di una collaborazione fra varie sedi, fra loro complementari e con competenze diverse, si intendono studiare i fenomeni di CME (Coronal Mass Ejection) da vari punti vista (origine nel Sole, evoluzione nella corona, interazione con il vento solare e con la magnetosfera terrestre) e con varie tecniche osservative sia nel radio che nella banda ottica. Studio dei fenomeni magnetosferici e ionosferici nelle regioni polari e aurorali Usando dati sia da terra che dallo spazio ci si propone di studiare fenomeni tipici della magnetosfera e ionosfera terrestre come le sotto-tempeste magnetiche, le aurore, le irregolarità e scintillazioni ionosferiche e le onde MHD di bassa frequenza. PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 20 di 79

21 Variabilità solare La variabilità solare verrà studiata, anche nell ambito del Centro per lo studio della variabilità solare di Roma, sia attraverso osservazioni e misure dell atmosfera a disco intero e ad alta risoluzione spaziale, con opportuni metodi ottimizzati di analisi, che tramite sviluppo di modelli di atmosfera. Tests di fisica fondamentale con osservazioni solari Con l uso delle tecniche MOF (filtro magneto-ottico) applicate ad osservazioni solari, ci si propone di 1) misurare precisamente il redshift gravitazionale sul Sole come test relativistico; 2) misurare e analizzare il fenomeno del Frame Dragging relativistico; 3) chiarire, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, il fenomeno della polarizzazione anomala scoperta nel Sole. B) Sistema solare Ricerche di astrochimica e astrobiologia Nell ambito di un ampia collaborazione nazionale ci si propone di proseguire studi di laboratorio per la simulazione di materiali e processi energetici con applicazioni sia alla fisica del mezzo interstellare che all evoluzione fisica delle superfici di oggetti solidi del Sistema Solare, come Marte, NEOs, TNOs e comete. I risultati di laboratorio verranno anche integrati e confrontati con dati osservativi sia da terra che dallo spazio. Agli studi di astrochimica, già notevolmente sviluppati, si intendono affiancare studi più nuovi nel campo dell astrobiologia, come, ad esempio, la formazione di molecole complesse a seguito di processi di radiolisi e fotolisi. In questo ambito ci si propone anche di studiare una proposta di missione spaziale sul satellite gioviano Europa, che si ritiene possa avere condizioni compatibili con la presenza di vita, con obiettivi scientifici che riguardano sia lo studio delle problematiche connesse ai processi geologici che all identificazione di materiale organico complesso. Corpi minori del sistema solare Questi corpi, asteroidi, comete, oggetti TNO, meteoroidi, possono fornire informazioni essenziali sull ambiente astrofisico che caratterizzava le fasi primordiali della storia del Sistema Solare. Ci si propone di meglio studiare l origine ed evoluzione di questi corpi, determinandone i principali parametri fisici mediante un insieme di tecniche osservative diverse. Questi studi, oltre ad un interesse teorico, hanno anche un interesse pratico, legato al rischio di impatto con il nostro pianeta. Oltre alle osservazioni da terra, due importanti missioni spaziali (ROSETTA, cornerstone planetario dell ESA che studierà la cometa P/Churyumov-Gerasimenko, e DAWN, una missione Discovery della NASA che studierà Vesta e Cerere, due grandi asteroidi che possono essere considerati dei proto-pianeti), con notevole e qualificata partecipazione INAF, produrranno dati fondamentali in questo campo, in particolare sulla composizione mineralogica delle superfici cometaria PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 21 di 79

22 (ROSETTA, con misure in situ (GIADA) delle caratteristiche della polvere nella chioma) e asteroidale (DAWN). Una tematica in parte legata a quella dello studio dei corpi minori del sistema solare è quella dello studio, in particolare, dei fenomeni di impatto sulla Terra, da un punto di vista teorico, modellistico e osservativo (attraverso l uso anche di telescopi come VST e LBT) e che comprende, fra l altro, lo studio dei fenomeni collisionali fra asteroidi, la scoperta, monitoraggio e caratterizzazione dei NEO e lo studio degli effetti di impatti sull ecosistema terrestre. Analisi dei dati di OSIRIS su ROSETTA La gran quantità di dati di ottima qualità, anche migliore del previsto, già ottenuti dal sistema di imaging a bordo della sonda Rosetta durante l evento Deep Impact e quelli che si otterranno nei prossimi anni, verranno analizzati producendo un significativo ritorno scientifico. Questa analisi sarà anche essenziale per la preparazione della futura strategia osservativa e di acquisizione. Venus Express Venus Express, il cui obiettivo primario è lo studio dell atmosfera e della superficie di Venere e la loro interazione, arriverà su Venere ad Aprile 2006 e la missione nominale durerà 500 giorni. La comunità INAF è stata direttamente coinvolta, con posizioni di responsabilità, nella realizzazione di vari strumenti a bordo della sonda. Nel corso del prossimo triennio, oltre alle operazioni in orbita degli strumenti, ci si dedicherà alla calibrazione, archiviazione e analisi dei dati, con sviluppo di software, modellistica e di attività di laboratorio. Mars Express Lanciato nel 2003, Mars Express è ora in orbita attorno a Marte. La comunità INAF è stata direttamente coinvolta, con posizioni di responsabilità, nella realizzazione di vari strumenti a bordo della sonda. Questi strumenti hanno già prodotto risultati di notevole interesse, come, ad esempio, la scoperta del metano su Marte, la composizione delle calotte polari e il monitoraggio della loro evoluzione con le stagioni, la misura su vari campioni di materiali granulari, minerali solidi, e CO2 solida. Nel corso del prossimo triennio proseguirà l analisi dei dati che continuano ad essere raccolti. Analisi dei dati di VIMS su Cassini Lo spettrografo visibile e infrarosso VIMS su Cassini produrrà nei prossimi anni un flusso continuo di dati, che forniranno informazioni importanti sull atmosfera di Saturno, sui suoi satelliti ghiacciati e sulla superficie di Titano. L analisi di questi dati, in gran parte finanziata da ASI, ha già prodotto risultati interessanti in ciascuno di questi campi e proseguirà nel prossimo triennio. PTA Ricerca scientifica e tecnologica p. 22 di 79