Indice. Parte I Astrofisica osservativa

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Sergio Mele
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1 Parte I Astrofisica osservativa 1 Sistemi di riferimento astronomici Introduzione Il sistema di coordinate orizzontali o altazimutali Il sistema equatoriale Altri sistemi di coordinate Perturbazioni e variazioni delle coordinate Precessione Nutazione Parallasse Aberrazione della luce Rifrazione atmosferica Misure di tempo Riferimenti bibliografici Strumenti di osservazione Introduzione L atmosfera Caratteristiche dei telescopi Telescopi ottici Caratteristiche dei sistemi ottici Telescopi rifrattori Telescopi riflettori Montature dei telescopi Rivelatori per osservazioni nell ottico Lastre fotografiche Spettrografi Fotocatodi e fotomoltiplicatori Fotometri e polarimetri Rivelatori elettronici a immagini, CCD... 38

5.5 Rifrazione atmosferica... 13 1.6 Misure di tempo..... 15 Riferimenti bibliografici... 16 2 Strumenti di osservazione... 17 2.1 Introduzione.... 17 2.2 L atmosfera.... 18 2.

2 viii Indice Ottiche attive ed adattive Interferometri Telescopi infrarossi Sensibilità dei rivelatori ottici e infrarossi Telescopi per fotoni di alta energia Telescopi X Telescopi gamma Telescopi ultravioletti (UV) Sensibilità dei telescopi a contatori di fotoni Radiotelescopi Antenne singole Radiointerferometri Telescopi submillimetrici e per microonde Regione submillimetrica Microonde Sensibilità dei rivelatori radio e millimetrici Conclusioni Riferimenti bibliografici Elementi di fotometria e spettroscopia Grandezze dei campi di radiazione Elementi di fotometria Ottico, infrarosso, ultravioletto Radio RaggiXegamma Emissione nel continuo Indici di colore Estinzione e profondità ottica Eccesso di colore Estinzione atmosferica Trasporto radiativo Elementi di spettroscopia Cenni sulla teoria atomica degli spettri Spettri atomici Spettri molecolari Misure spettrali Formazione delle righe spettrali Allargamento delle righe Effetto Doppler Spettri stellari Spettri nebulari Nota Riferimenti bibliografici...118

10 Radiotelescopi...... 58 2.10.1 Antenne singole... 60 2.10.2 Radiointerferometri.... 62 2.11 Telescopi submillimetrici e per microonde...... 66 2.11.1 Regione submillimetrica..... 66 2.11.2 Microonde.

3 ix 4 Parametri fondamentali Le distanze in astronomia Le stelle Luminosità e temperature Masse Raggi Le galassie La Via Lattea Le galassie esterne Dimensioni Luminosità Masse La struttura a grande scala Spettro elettromagnetico universale Riferimenti bibliografici Parte II Gravitazione universale 5 Gravitazione newtoniana Le leggi di Keplero dei moti planetari Calcolo della forza del Sole sui pianeti Il problema dei due corpi Equazione di Poisson per la gravitazione newtoniana Effetti differenziali dei campi gravitazionali Maree Limite di instabilità per frammentazione (limite di Roche) Limite di cattura Il problema dei tre corpi Riferimenti bibliografici Teoria relativistica della gravitazione La Relatività Generale Campi gravitazionali statici a simmetria sferica Equilibrio idrostatico delle stelle relativistiche Redshift gravitazionale Buchi neri Buchi neri di Schwarzschild Velocità di caduta radiale Moto geodetico radiale Moto in condizioni generali Moto dei fotoni Buchi neri di Kerr Estrazione di energia rotazionale da un BH di Kerr Collasso gravitazionale Riferimenti bibliografici...182

..... 136 Riferimenti bibliografici...138 Parte II Gravitazione universale 5 Gravitazione newtoniana...141 5.1 Le leggi di Keplero dei moti planetari.....141 5.2 Calcolo della forza del Sole sui pianeti.

4 x Indice Parte III Fluidi, plasmi e radiazione 7 Processi fluidodinamici Equazioni di Eulero e l equazione di Navier-Stokes Applicazioni della fluidodinamica all astrofisica Flussi unidimensionali, getti astrofisici Flussi in simmetria sferica, accrescimento e venti Dischi di accrescimento Onde d urto sferiche, esplosioni di supernova Riferimenti bibliografici Processi di plasma Teoria MHD Plasma a riposo, V = Plasma in moto, V =0, con resistività trascurabile, η Congelamento delle linee di flusso magnetico nei plasmi Magnetoidrostatica Campi force-free Riconnessione magnetica Criteri di applicabilità della trattazione fluida per i plasmi Applicazioni della teoria MHD all astrofisica Attività solare Stelle compatte magnetizzate e rotanti Getti supersonici Origine e amplificazione dei campi magnetici Riferimenti bibliografici Meccanismi di irraggiamento Radiazione da cariche libere accelerate Trattazione euristica di Thomson della formula di Larmor Bremsstrahlung Bremsstrahlung non-relativistico e termico Bremsstrahlung relativistico Assorbimento da bremsstrahlung termico Radiazione sincrotrone Radiazione da elettroni singoli Radiazione da elettroni con distribuzione di potenza in energia Autoassorbimento sincrotrone in nuvole compatte Rotazione Faraday Principio di minima energia in sorgenti sincrotrone Radiazione per effetto Compton inverso Diffusione di fotoni da elettroni relativistici Radiazione synchrotron-self-compton (SSC)

.....202 Riferimenti bibliografici...207 8 Processi di plasma...209 8.1 Teoria MHD.... 211 8.1.1 Plasma a riposo, V = 0... 213 8.1.2 Plasma in moto, V =0, con resistività trascurabile, η 0.. 214 8.1.3 Congelamento delle linee di flusso magnetico nei plasmi.

5 xi Limite radiativo per Compton inverso Comptonizzazione Produzione di coppie Doppler beaming Riferimenti bibliografici Accelerazione di particelle sopratermiche Accelerazione coerente Accelerazione stocastica Meccanismo di Fermi Pompaggio magnetico Accelerazione stocastica in plasmi turbolenti Accelerazione diffusiva da onde d urto Accelerazione da onde d urto multiple Riferimenti bibliografici Parte IV Fisica delle stelle 11 Fenomenologia stellare Stelle normali e il diagramma di Hertzsprung-Russell Stelle variabili Variabili pulsanti Variabili eruttive Stelle peculiari o attive Regioni di formazione stellare Nebulose planetarie Supernove e resti di supernova Pulsar Gamma-Ray-Burst (GRB) Sistemi binari stretti Stelle del tipo Algol, β-lyrae, W Ursae Majoris, RS Canum Venaticorum Variabili cataclismiche, nove Binarie X Buchi neri in sistemi binari e microquasar QPO (Quasi-Periodic-Oscillators) Dati stellari Riferimenti bibliografici Struttura interna delle stelle Basi teoriche Equazioni fondamentali Equilibrio idrostatico Continuità della massa Equilibrio energetico...299

.....257 10.3 Accelerazione diffusiva da onde d urto....260 10.3.1 Accelerazione da onde d urto multiple...264 Riferimenti bibliografici...265 Parte IV Fisica delle stelle 11 Fenomenologia stellare.

6 xii Indice Trasporto di energia Condizioni al contorno Equazione di stato Opacità Sorgenti di energia Modelli stellari Modelli uniparametrici Modelli biparametrici Modelli numerici Atmosfere stellari Riferimenti bibliografici Evoluzione stellare Teorema del viriale Fasi evolutive caratteristiche Fasi iniziali dell evoluzione stellare La contrazione delle nuvole del mezzo interstellare Evoluzione pre-sequenza Principale Fase termonucleare della Sequenza Principale Stelle dell alta Main Sequence, M 1.5 M Stelle della bassa MS, M 1.5 M Proprietà generali Evoluzione post-ms, M 2 M Il limite di Schönberg-Chandrasekhar La fase di gigante rossa Fasi finali delle stelle, M < 8M Fasi finali delle stelle, M > 8 M Evoluzione post-ms, M 2M Il flash dell elio nel nucleo Nebulose planetarie e nane bianche Le fasi terminali dell evoluzione stellare Collasso finale delle stelle di grande massa Supernove di Tipo II Gamma-Ray-Burst (GRB) Riferimenti bibliografici Stati finali dell evoluzione stellare Gli stati finali dell evoluzione stellare Stelle degeneri Nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri Sistemi binari stretti con componente compatta Formazione di dischi di accrescimento in sistemi binari semi-staccati Evoluzione stellare in sistemi binari con scambio di massa - Supernove di tipo I

..327 13 Evoluzione stellare...329 13.1 Teorema del viriale...329 13.2 Fasi evolutive caratteristiche...332 13.3 Fasi iniziali dell evoluzione stellare......333 13.3.1 La contrazione delle nuvole del mezzo interstellare.

7 xiii La dinamica delle binarie X Emissione ad alta frequenza da dischi di accrescimento Riferimenti bibliografici Parte V Fisica delle galassie 15 La Via Lattea Statistica stellare Local Standard of Rest (LSR) Funzione di luminosità delle stelle Densità stellare Popolazioni stellari e ammassi Ammassi aperti Ammassi globulari Associazioni Il mezzo interstellare Polveri interstellari Gas interstellare Molecole interstellari La rotazione differenziale della Galassia La distribuzione del mezzo interstellare La curva di rotazione della Galassia Struttura ed evoluzione della Via Lattea Riferimenti bibliografici Galassie esterne La scoperta delle galassie Classificazione delle galassie Galassie ellittiche Tipi morfologici Caratteristiche fisiche Galassie spirali e irregolari Classi morfologiche Caratteristiche fisiche Dinamica delle regioni centrali dei nuclei delle spirali La funzione di luminosità La struttura a spirale Origine Teoria di Lin e Shu Interazioni fra galassie Attrito dinamico Interazione impulsiva Stripping mareale

2 Popolazioni stellari e ammassi...401 15.2.1 Ammassi aperti.... 403 15.2.2 Ammassi globulari..... 405 15.2.3 Associazioni...... 406 15.3 Il mezzo interstellare...... 407 15.3.1 Polveri interstellari.

8 xiv Indice 16.8 Formazione delle galassie Riferimenti bibliografici Galassie attive Le galassie di Seyfert Radiogalassie Quasar Modelli teorici delle galassie attive AGN (Active Galactic Nuclei) Dischi di accrescimento Getti e lobi radio Modello unificato per gli AGN Riferimenti bibliografici Parte VI Cosmologia 18 Dati cosmologici Il paradosso di Olbers La distribuzione delle galassie Gruppi Ammassi Superammassi La struttura a grande scala La legge di Hubble Il fondo di radiazione cosmica (CMBR) Isotropia di materia e radiazione L abbondanza dell elio e del deuterio Asimmetria materia-antimateria L accelerazione dell Universo Riferimenti bibliografici Modelli cosmologici Il principio cosmologico La metrica dello spazio-tempo cosmologico La metrica di Robertson-Walker Le equazioni relativistiche della dinamica cosmica Modelli di Universo Modello di Einstein - De Sitter Modello di De Sitter Soluzioni generali Evoluzione degli universi piatti Modello dello stato stazionario Riferimenti bibliografici...522

....475 Riferimenti bibliografici...477 Parte VI Cosmologia 18 Dati cosmologici...481 18.1 Il paradosso di Olbers.....481 18.2 La distribuzione delle galassie...482 18.2.1 Gruppi......482 18.2.2 Ammassi.

9 xv 20 Il Big-Bang Modello standard Nucleosintesi primordiale Disaccoppiamento radiazione-materia Le anisotropie della CMBR La costante cosmologica e l energia del vuoto Modelli inflazionari Conseguenze della teoria inflazionaria Asimmetria tra particelle e antiparticelle L Universo in accelerazione Riferimenti bibliografici Costanti Indice analitico...553

4 Modelli inflazionari...539 20.5 Conseguenze della teoria inflazionaria....543 20.

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