Introduzione all Astrofisica AA 2015/2016

Transcript

1 Introduzione all Astrofisica AA 2015/2016 Prof. Alessandro Marconi Dipartimento di Fisica e Astronomia Università di Firenze INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri

2 Contatti, Bibliografia e Lezioni Prof. Alessandro Marconi Dipartimento di Fisica e Astronomia, stanza 254 (2 o piano) Via G. Sansone 1, 50019, Sesto Fiorentino (Firenze) Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Largo Enrico Fermi 5, 50125, Firenze alessandro.marconi@unifi.it IMPORTANTE: Registrarsi sulla piattaforma Moodle Bibliografia Dan Maoz Astrophysics in a Nutshell Princeton University Press Dove trovare le lezioni Didattica ( MOODLE?) 2

3 Programma del corso Introduzione ai processi astrofisici in Stelle Struttura stellare, evoluzione stellare ( LM: Astrofisica) Galassie Struttura e tipi di galassie, Materia Oscura, Nuclei Galattici Attivi e Buchi Neri, Ammassi di Galassie ( LM: Fisica delle Galassie) Cosmologia Il modello cosmologico standard, l energia oscura ( LM: Cosmologia) Fornendo una panoramica dei sistemi oggetto di ricerca moderna e dei processi fisici rilevanti delle metodologie d indagine Studio approfondito richiede familiarità con calcolo ed equazioni differenziali, meccanica classica e quantistica, relatività speciale e generale, elettromagnetismo, idrodinamica e magnetoidrodinamica, termodinamica e meccanica statistica in pratica con gran parte della fisica classica e moderna!

4 Il Corso A parte casi semplici, eviteremo lunghe trattazioni matematiche ( laurea magistrale) e ci limiteremo a stime di ordine di grandezza utilizzo relazioni di scala utilizzo dei risultati di una derivazione matematica accurata Approccio non comune per gli studenti! Calcoli rigorosi fondamentali per risultato finale, in Fisica come in Astrofisica (es. fattore 2π non importante per capire la fisica ma per risultato finale!). Ma la maggioranza fisici ed astrofisici non affronta un nuovo problema partendo da modelli e calcoli rigorosi. 4

5 Notazione, convenzioni, unità di misura Per tradizione, astronomi utilizzano strane unità di misura unità cgs, Å, km, parsec, anni luce, masse e luminosità solari (M, L ), ecc. Convenzioni per la notazione = relazioni matematiche esatte (o più accurate del 10%); talvolta per risultati numerici con incertezze superiori al %; relazioni matematiche approssimate o risultati numerici meno accurati del 10%; proporzionalità stretta ~ dipendenza funzionale approssimata 5

6 Costanti ed unità di misura (2 cifre signif.) Costante gravitazionale G = erg cm g 2 Velocità della luce c = cm s 1 Costante di Planck h = erg s h = h/2 = erg s 1 Costante di Boltzmann k = erg K 1 = ev K 1 Costante di Stefan-Boltzmann = erg cm 2 s 1 K 4 Costante di radiazione a =4 /c = erg cm 3 K 4 Massa del protone m p = g Massa dell elettrone m e = g Carica dell elettrone e = esu Elettron-Volt 1 ev = erg Sezione d urto Thomson T = cm 2 Legge di Wien max =2900Å(T/10 4 K) 1 h max =2.4eV (T/10 4 K) Angstrom 1 Å=10 8 cm Massa solare M = g Luminosità solare L = erg s 1 Raggio solare R = cm Distanza Terra-Sole d =1AU= cm Massa di Giove M X = g Raggio di Giove R X = cm Distanza Giove-Sole d X =5.2AU= cm Massa della Terra M = g Raggio della Terra R = cm Massa della Luna M$ = g Raggio della Luna R$ = cm Distanza Terra-Luna d$ = cm Unità astronomica 1 AU = cm Parsec 1 pc = cm = 3.3ly Anno 1 yr = s 6

7 Astronomia ed Astrofisica Astronomia viene dal greco αστρονομία (άστρον, stella + νόμος, legge), riflette scoperta degli antichi greci che i moti delle stelle in cielo non sono arbitrari ma seguono leggi definite. Nei tempi moderni indica lo studio degli oggetti oltre l atmosfera della Terra (dai grani di polvere interstellare, ai superammassi di galassie). Il campo della Cosmologia si occupa della struttura e dell evoluzione globale dell universo. Nel tardo 800 è stato inventato il termine Astrofisica per descrivere il campo che studiava proprietà oggetti celesti con le leggi della fisica. Oggi la fisica è cruciale per ogni campo dell astronomia per cui Astronomia e Astrofisica sono usati indifferentemente. I giornali più importanti si chiamano infatti: The Astrophysical Journal (ApJ); Astronomy & Astrophysics (A&A); Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS); The Astronomical Journal (AJ); ma il loro contenuto è equivalente. 7

8 L Astrofisica Ramo della Fisica che studia fenomeni in sistemi fisici estesi su grande scala come Sole, pianeti, stelle, galassie o universo nella sua interezza. Definizione incompleta: astrofisica studia anche fenomeni a livello atomico e molecolare. Astrofisica è quella scienza che utilizza la fisica per studiare oggetti distanti e Universo nel suo insieme, ma include anche la formazione della Terra e l effetto di eventi astronomici sulla formazione ed evoluzione della vita sulla Terra. Enorme varietà di fenomeni studiati difficoltà di trovare una definizione. Tutti gli argomenti di fisica nella laurea triennale e magistrale hanno ruolo importante per lo studio dei fenomeni astrofisici. Astrofisica permette di studiare fenomeni non osservabili in laboratorio ma predetti da teorie fisiche (es. Relatività Generale); esempio processi di emissione delle nebulose astrofisiche (densità inferiori ai migliori vuoti di laboratorio) o processi in condizioni di gravità estrema come vicino ad un buco nero. 8

9 Astrofisica e Fisica Astrofisica è un ramo della Fisica, ed è pertanto scienza sperimentale con stretta interazione tra teoria e sperimentazione. Segue gli stessi metodi ed utilizza gli stessi strumenti degli altri rami della fisica. Principali differenze tra Astrofisica ed altri rami della Fisica: Scienza osservativa, no esperimenti di laboratorio (ovvio...) Informazione da onde elettromagnetiche (ed in piccola parte neutrini, raggi cosmici, onde gravitazionali) viaggiano a velocità finita c = km/s Tempi scala evolutivi vita umana Sorgenti osservate nel passato Sistemi complessi in condizioni fisiche estreme 9

10 Astrofisica e Fisica Tempi scala evolutivi vita umana: es. tempi scala evolutivi stelle massicce yr, stelle tipo Sole 1-10 Gyr. Non evoluzione del singolo sistema, ma studio statistico di popolazione (con problemi per selezione dei campioni) Sorgenti osservate nel passato : sorgente a distanza D, la radiazione e.m. impiega tempo Δt = D / c a raggiungerci. Osserviamo sorgente non adesso ma un tempo Δt nel passato (look-back time). c costante, Δt spesso utilizzato come misura di distanza: stella a D = 10 l-yr (light-years = anni luce) significa che la luce ha impiegato Δt = 10 yr a raggiungerci, ovvero D = c Δt = cm guardare indietro nel tempo: si osservano galassie a vari 10 9 l-yr di distanza, tempi significativi rispetto ai tempi evolutivi possibile confronto tra galassie lontane e vicine per studi evolutivi. 10

11 Astrofisica e Fisica Sistemi complessi in condizioni fisiche estreme molto spesso (quasi sempre) non ricreabili in laboratorio; complicazioni esterne (atmosfera terrestre, ecc.); sorgenti dello stesso tipo (stessi processi fisici) si originano da condizioni iniziali (molto) diverse; Le incertezze sulla stima di grandezze fisiche possono essere molto grandi: una misura accurata può avere incertezze dell ordine del 10-20%, altre misure possono fornire solo ordini di grandezza. 11

12 Sistemi Astrofisici: Stelle Il nostro Sole è una stella abbastanza tipica. In generale le stelle variano molto in: Età (oss yr) Massa ( M ) Luminosità ( L ) Raggio ( R ) Temperatura superficiale (3000 K K) legata al colore della stella (Rosso Blu) A. Marconi Introduzione all Astrofisica 2015/2016 Ammasso aperto M25 12

13 Sistemi Astrofisici: La Via Lattea Galileo fu il primo a rendersi conto che la Via Lattea è fatta da stelle! Sole Via Lattea: ~ stelle Distanza Sole-centro: ly Diametro disco: ~ ly Spessore disco: ~ ly Massa totale: ~ M Massa visibile : ~20% MTOT Luminosità totale: ~ L

14 Sistemi Astrofisici: Galassie Galassie a Spirale es. M83 Galassie Irregolari es. Grande Nube di Magellano Galassie Ellittiche es. Messier 87 (M87) Dimensioni tipiche: ly Masse tipiche: M Luminosità tipiche: L Età delle pop. stellari: < 1 Gyr fino a ~14 Gyr A. Marconi Introduzione all Astrofisica 2015/

15 Sistemi Astrofisici: AGN Radiosorgente Cigno A galassia ospite 500,000 ly Circa il 10% di tutte le galassie presentano un Nucleo Galattico Attivo (Active Galactic Nucleus - AGN). Sorgenti compatte ( < 1 ly) e luminose ( L ) di radiazione al centro delle galassie. In alcuni casi noti come Quasar, l AGN è così luminoso da nascondere la galassia stessa (LAGN ~100 Lgalassia da un volume VAGN~10-10 Vgalassia). A. Marconi Introduzione all Astrofisica 2015/

16 Sistemi Astrofisici: Ammassi di Galassie Una parte dell ammasso della Vergine La maggioranza delle galassie vive in ammassi. Il Gruppo Locale è un ammasso povero. Ammassi ricchi contengono ~1000 galassie. M87, galassia centrale dell ammasso della Vergine A. Marconi L ammasso della Vergine contiene 2500 galassie Diametro: ~107 ly Distanza: ~ ly Introduzione all Astrofisica 2015/

17 Sistemi Astrofisici: Super-Ammassi ly Gerarchia di strutture (simulazione) A. Marconi Gli ammassi di galassie sono raggruppati in superammassi Diametro: ~6 108 ly I superammassi formano filamenti e muri attorno a vuoti. Queste sono le strutture più grandi note nell universo. Hanno dimensioni tipiche dell ordine di ~6 108 ly. Introduzione all Astrofisica 2015/

18 Dimensioni tipiche 1.5 m cm Dimensione tipica dell uomo km cm Diametro della Terra km cm Diametro del Sole 1 AU cm Distanza Terra-Sole 60 AU cm Diametro dell orbita di Nettuno AU cm Distanza di Proxima Centauri dal Sole ly cm Distanza del Sole dal centro della Via Lattea 10 5 ly cm Diametro della Via Lattea ly cm Distanza della Galassia di Andromeda 10 7 ly cm Diametro dell Ammasso della Vergine ly cm Distanza dell Ammasso della Vergine ly cm Diametro tipico di un Superammasso ly cm Oggetto più distante noto al 2009 (Quasar) 18

19 hubblesite.org APOD: apod.nasa.gov eso.org