Astrofisica
Per tutte le informazioni sulle attività di ricerca in Astrofisica presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia o presso l’INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri e per alcune proposte specifiche di tesi, si veda astro.fisica.unifi.it/tesi. Siete caldamente incoraggiati a contattare le persone coinvolte nei gruppi ivi elencati sia per proposte di tesi più personalizzate sia per vostre curiosità sulla relativa attività di ricerca. Per domande sui piani di studio per il curriculum astrofisico il delegato presso il comitato per la didattica del CdL è il Prof. Luca Del Zanna.
Le attività di ricerca in Astrofisica presso il nostro Dipartimento sono organizzate nelle seguenti aree:
L'astrofisica delle alte energie tratta i fenomeni più estremi che hanno luogo nell'universo, come le esplosioni di supernova, i gamma-ray burst, l'emissione da pulsar e magnetar, l'accrescimento su oggetti compatti, ovvero buchi neri e stelle di neutroni, la coalescenza di tali oggetti e la conseguente emissione di onde gravitazionali, e la produzione di raggi cosmici. Tipicamente sono coinvolti plasmi in regime relativistico, i campi gravitazionali devono essere trattati tramite le equazioni di Einstein, e l'emissione elettromagnetica da questo tipo di sorgenti è dovuta principalmente a particelle non-termiche (sincrotrone, Compton inverso, processi adronici). ll gruppo di Astrofisica delle Alte Energie di Arcetri è uno dei principali gruppi di ricerca italiani su queste tematiche, fin dai primi studi del fondatore Franco Pacini sulle pulsar e sull'origine della radiazione non termica dei resti di supernova, come la nebuolosa del Granchio qui in figura. Il gruppo è principalmente coinvolto nella modellizzazione teorica di oggetti e processi astrofisici, con particolare attenzione alle simulazioni numeriche, spesso in sinergia con i colleghi di fisica del plasma. I suoi membri sono coinvolti in vari progetti a livello nazionale e internazionale, che vanno dalla ricerca teorica su processi astrofisici fondamentali, allo sviluppo dei casi scientifici per i telescopi gamma e a raggi-X di prossima generazione.
La fisica solare tratta di tutti i fenomeni fisici legati alla nostra stella, il Sole, dalla fisica del suo interno al comportamento dell’atmosfera che si estende fino ai margini estremi del sistema solare. Lo studio del Sole, essendo l’unica stella che può essere studiata in dettaglio, rappresenta una sorta di “stele di Rosetta” per la fisica stellare. Inoltre, il Sole è un grandissimo laboratorio per lo studio del plasma. È importante studiare il Sole anche per l’influenza che esso esercita sull’ambiente terrestre, sia per il clima sia per l’interazione del vento solare (letteralmente un vento di plasma che soffia dal Sole e pervade il sistema solare) con la magnetosfera terrestre, fenomeno, quest’ultimo, studiato da una nuova disciplina detta meteorologia spaziale (space weather). Il gruppo di fisica solare di UniFi viene da una lunga tradizione sia al Dipartimento sia all’Osservatorio di Arcetri. Nel passato con la fisica solare tradizionale basata sull’osservazione da terra, successivamente con la ricerca spaziale a partire dalla sonda ESA-NASA SOHO fino al recente Solar Orbiter, in cui il gruppo è stato coinvolto nello sviluppo di strumentazione, nella gestione delle operazioni di missione e nell’analisi dei dati spettroscopici e polarimetrici nell’UV e nel visibile provenienti dalla corona solare. In particolare, UniFi ha la responsabilità del coronografo Metis di Solar Orbiter, missione attualmente in corso e della durata prevista di dieci anni. Il gruppo inoltre è coinvolto nello studio di plasmi spaziali, in particolare, nella teoria e nella modellizzazione dei fenomeni di interazione del plasma col campo magnetico solare, dalla turbolenza alla riconnessione magnetica e all’accelerazione del vento solare.
Il gruppo ASAP, Arcetri Space & Astrophysical Plasmas, del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università degli Studi di Firenze, si prefigge di studiare i fenomeni fisici che stanno alla base di moltissimi processi riscontrabili in astrofisica. La quasi totalità della materia visibile dell'Universo, infatti, si presenta sotto forma di plasma, ovvero di gas totalmente o parzialmente ionizzato in cui la densità media di cariche libere presenti è tale che prevalgono gli effetti elettrodinamici collettivi su grande scala piuttosto che gli urti fra le singole particelle. Esempi di stati di aggregazione di plasma in campo astrofisico sono molteplici: l’interno delle stelle e le atmosfere stellari, il mezzo interplanetario, le magnetosfere dei pianeti, il mezzo interstellare e intergalattico, vari tipi di nebulose come resti di supernove o regioni HII, i flussi di materia collimati e non, sia stellari che galattici. In tutti questi casi le correnti ed i campi magnetici autogenerati dal plasma giocano un ruolo fondamentale, e spesso la geometria stessa del sistema è definita dalla struttura dei campi magnetici presenti in esso. I plasmi ed i campi elettromagnetici ad essi associati sono sistemi fortemente non lineari, di conseguenza gli ambienti astrofisici si trovano sistematicamente in uno stato di turbolenza. Il gruppo di plasmi astrofisici si occupa in particolar modo della modellizazione numerica, usando sia descrizioni fluide che cinetiche: sviluppiamo ed utilizziamo codici magnetoidrodinamici (MHD, sia classica che relativistica), Hall-MHD, Particle-In-Cell (PIC) e Hybrid-PIC. In collaborazione con altri istituti lavoriamo anche sull’analisi dei dati del vento solare raccolti da missioni spaziali (come per esempio Parker Solar Probe, Solar Orbiter, Bepi-Colombo...).
Poco più di 25 anni fa veniva scoperto il primo pianeta orbitante intorno ad una stella di tipo solare; da allora oltre 4000 pianeti sono stati confermati. I sistemi planetari scoperti sono ben differenti dal Sistema Solare tanto che si trovano pianeti gassosi di tipo gioviano a piccole distanze dalla propria stella. Temi di ricerca attuali riguardano la migrazione planetaria, il concetto di abitabilità, la ricerca di pianeti simil-terre, lo studio e la caratterizzazione degli ambienti planetari. Dopo una fase focalizzata sulla ricerca di pianeti, la ricerca sta ora orientandosi maggiormente allo studio delle atmosfere planetarie, che possono fornire informazioni su composizione, presenza di acqua, fenomeni atmosferici e anche su composizione del suolo, fino ai processi di formazione planetaria. In quest’ambito il Dipartimento di Fisica e Astronomia svolge attività di ricerca nel campo osservativo e di sviluppo di strumenti di nuova generazione. All’Osservatorio Polifunzionale del Chianti si studiano i pianeti utilizzando il metodo dei transiti. Il Dipartimento svolge un ruolo chiave in Ariel, missione ESA in fase di sviluppo e che studierà le atmosfere planetarie. Il Dipartimento coordina un grande consorzio internazionale per la costruzione di HIRES, uno strumento per l’ELT dell’ESO tra i cui scopi principali c’è quello di trovare tracce di vita in esopianeti simili alla Terra. Per migliorare l’affidabilità delle osservazioni di esopianeti, occorre anche caratterizzare bene l’attività stellare, perché può simulare o nascondere la presenza del pianeta. A questo scopo, il Dipartimento ha partecipato allo sviluppo del telescopio LOCNES, oggi in fase di installazione al Telescopio Nazionale Galileo alle Canarie e che presto entrerà in funzione per studiare l’attività del Sole come stella.
L’astrofisica extragalattica si occupa dello studio delle galassie, dalla loro formazione nel primo miliardo di anni, fino ad oggi, circa 14 miliardi di anni dopo il Big Bang. Le galassie sono costituite da stelle, gas, polvere e materia oscura che sono tenuti insieme dalla loro forza di gravità. Le galassie si formano ed evolvono in seguito a diversi processi fisici: l’accrescimento di gas dall’ambiente circostante; la formazione di stelle e la loro successiva evoluzione, che comporta l’immissione di energia ed elementi chimici pesanti nell’ambiente circostante; l’interazione e la fusione con altre galassie. Al centro delle galassie si trovano giganteschi buchi neri che accrescono il gas nelle regioni nucleari e liberano enormi quantità di energia, capaci di influenzare l’evoluzione della galassia ospite arrivando fino a bloccare la formazione di nuove stelle. Quando accrescono gas, i buchi neri danno luogo al fenomeno dei nuclei galattici attivi, grazie ai quali si possono studiare i processi fisici connessi con il campo gravitazionale forte. Il gruppo di Galassie e Cosmologia è costituito da ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia e dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri. I ricercatori del Dipartimento in particolare si occupano dello studio dell’evoluzione delle galassie, dei nuclei galattici attivi, della formazione delle prime stelle e delle prime galassie, e della misura delle proprietà cosmologiche dell’universo, sia da un punto di vista osservativo che teorico. Sono coinvolti in molti progetti che riguardano sia lo studio osservativo di galassie, nuclei attivi e buchi neri sia lo sviluppo di modelli teorici per comprenderne la loro formazione ed evoluzione.
Il lavoro dell’astronomo prevede anche la progettazione e lo sviluppo di nuovi telescopi e strumentazione, allo scopo di migliorare le osservazioni fino a poter studiare sorgenti non accessibili con la strumentazione esistente. Il Dipartimento di Fisica e Astronomia ha partecipato e partecipa inoltre allo sviluppo di coronografi solari per lo spazio, dal disegno ottico ai test su sottosistemi effettuati nel laboratorio XUVLab presso l’edificio Garbasso, alle operazioni e analisi dei dati. Tra questi ASPIICS della missione ESA PROBA3 per la validazione delle tecniche di formazione di volo e HERSCHEL-SCORE, missione suborbitale NASA, per l’osservazione contemporanea della corona solare nelle sue componenti principali: elio, idrogeno e elettroni. In Ariel, missione ESA in fase di sviluppo e che studierà le atmosfere planetarie, il Dipartimento di Fisica e Astronomia svolge un ruolo chiave essendo il responsabile del telescopio e del management dell’intero contributo italiano. Il dipartimento coordina un grande consorzio internazionale per la costruzione di HIRES, uno strumento per il grande telescopio da 40m di diametro dell’ELT dell’ ESO, e tra i cui scopi principali c’è quello di trovare tracce di vita in esopianeti simili alla Terra.
Ultimo aggiornamento
09.04.2021