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Astrofisica


Nella nostra Area sono attive, nel campo della Astrofisica, della Cosmologia e della Fisica dello Spazio, numerose linee di ricerca sia teoriche sia osservative, queste ultime facenti uso di osservazioni da telescopi terrestri e/o da sonde spaziali. Oltre a cio' il Area promuove la Didattica e la Comunicazione della Fisica e dell'Astronomia attraverso varie attività che coinvolgono insegnanti, ricercatori e studenti.  Le linee di ricerca piu' attive sono:

1. Emissione in banda X da sorgenti compatte e diffuse.

Questo settore si occupa di una grande varieta' di fenomeni celesti, caratterizzati dalla presenza di particelle relativistiche (cioe' con velocita' prossime a quella della luce) e di plasmi ad altissima temperatura in grado di emettere radiazione nella banda dei raggi X.

I filoni principali  della ricerca sono  due: lo studio di oggetti compatti  e quello del materiale diffuso.

Alla prima categoria categoria appartengono oggetti collassati (nane bianche, stelle di neutroni e buchi ner)i che rappresentano stadi terminali dell'evoluzione di stelle di massa diversa e che, in ragione della loro compattezza, sono caratterizzati da un campo gravitazionale particolarmente intenso, che permette lo studio di effetti di Relativita' Generale impossibili da realizzare in laboratori terrestri. Oggetti di questo tipo che appartengono ad un sistema binario possono  attirare gas dalla stella compagna. La conseguente conversione di energia gravitazionale da' luogo a  complessi fenomeni di emissione di onde elettromagnetiche particolarmente intensi nella banda dei raggi X. Lo studio di questa radiazione fornisce preziose informazioni sulle caratteristiche  di questi sistemi. Il nostro gruppo si occupa da anni dello studio, principalmente attraverso  l'indagine spettroscopica,  di questi fenomeni.

La seconda linea di ricerca muove dalla considerazione che si ritiene  che 40-50% dei barioni nell'Universo si trovi  attualmente in una forma diffusa, sia come gas caldo (a decine di milioni di gradi) negli ammassi di Galassie, sia come gas "tiepido" (a temerature dell'ordine del milione di gradi), piu' tenue e diffuso, in grado di emettere radiazione nella banda X.

Mentre il primo e' ben conosciuto e studiato, del secondo si ipotizza l'esistenza sulla base di considerazioni sia teoriche sia osservative, ma non e' mai stato osservato direttamente.

Il nostro gruppo si occupa attivamente di definire i criteri di osservabilta' di questa materia, in vista di possibili missioni spaziali future in grado  di rivelarla e, possibilmente, caratterizzarne le proprieta' fisiche.

2. Nuclei Galattici Attivi: Struttura, Formazione ed Evoluzione

Una situazione per certi aspetti analoga a quello degli oggetti compatti nei sistemi binary si verifica nelle zone centrali (dette "nuclei") di talune galassie, dove si ritiene che buchi  neri di massa tra un milione ed un miliardo di masse solari attirino, per poi "mangiare", il  gas interstellare, dando luogo a  luminosita' pari a centinaia di miliardi di  volte quella del sole entro regioni con dimensioni dell'ordine dell'unita' astronomica.

Se da una parte questa ipotesi e' fortemente corroborata dai dati osservativi dall'altra risulta ancora poco chiara la relazione che lega questi Nuclei Galattici Attivi alla loro galassia ospite. Che questa relazione esista e' comprovata da numerose osservazioni solo parzialmente spiegate dai modelli teorici. In particolare rimangono aperte molte questioni fondamentali che riguardano la formazione dei primi Nuclei Galattici Attivi, la loro evoluzione cosmologica, la ragione dellaloro complessa fenomenologia ed i loro meccanismi di attivazione.

Il nostro gruppo affronta questi problemi sia dal punto di vista osservativo che da quello teorico.

Da quello osservativo l'approccio adottato e' lo studio multi-banda, ovvero lo studio della radiazione emessa dai Nuclei Galattici Attivi nelle varie bande dello spettro elettromagnetico, poiche' queste forniscono informazioni  indipendenti e complementari sulla natura di questi fenomeni. A questo scopo in nostro gruppo utilizza da anni  e in collaborazione con vari colleghi italiani e stranieri alcuni fra i piu` grandi telescopi terresti e osservatori spaziali di varie agenzie nazionali ed internazionali. I risultati di queste osservazioni vengono confrontati con le predizioni teoriche ottenute elaborando complessi modelli analitico-numerici che il nostro gruppo sta sviluppando di concerto con vari collaboratori.

3. Astrofisica Stellare Osservativa

Straordinari laboratori di Astrofisica sono anche quei sistemi binari che si manifestano attraverso il fenomeno delle stelle novae e simbiotiche. In essi sono importanti gli scambi di massa tra le componenti del sistema  e/o di perdita di massa  attraverso  intensi venti stellari. Quei sistemi binari che contengono una nana bianca, ovvero una stella in avanzato stato evolutivo,sono spesso sede di fenomeni esplosivi periodici (le stelle novae, appunto) causati dal trasferimento di materia dall'oggetto meno evoluto alla nana bianca.  Studiare i meccanismi che determinano gli scambi di materiale tra le due componenti  di fondamentale importanza per meglio compredere una fenomenologia che, su scala diversa, si manifesta anche in altri oggetti astrofisici,  come per esempio  i  Nuclei Galattici Attivi. L'indagine osservativa portata avanti dal nostro gruppo si avvale principalmente di dati spettroscopici e fotometrici in banda ultravioletta ottenuti attraverso telescopi spaziali come l'Ultraviolet Explorer (IUE) e lĠHubble Space Telescope (HST). Il confronto di questi dati, integrati  con quelli raccolti a terra dai telescopi ottici ed infrarossi,  con i modelli teorici permette di determinare i parametri fisici fondamentali che governano chiarire l'evoluzione di questi sistemi.

4. OASI: Osservatorio Antartico Sub-millimetrico e Infrarosso

Alcune regioni dello spettro elettromagnetico non sono accessibili mediante osservazioni da terra e necessitano l'utilizzo di telescopi a bordo di palloni stratosferici o di satelliti. Altre, come il vicino infraroso o le lunghezze d'onda millimeriche, sono accessibili solamente da quei siti in cui lo spessore e la turbolenza atmosferica  ed il contenuto di vapore acqueo siano particolarmente ridotti. L'Antartide soddisfa queste caratteritsiche e pertanto costituisce un perfetto laboratorio per indagare molti  problemi aperti sia di carattere cosmologico, come la formazione e l'evoluzione delle grandi strutture del nostro Universo, che astrofisico, come lo studio delle regioni caratterizzate da una intensa attivita' di formazione stellare all'interno della nostra galassia o nelle sue immediate vicinanze.

In questo ambito il nostro gruppo vanta una esperienza pluriennale che parte dal telescopio OASI, installato alla Stazione Mario Zucchelli nel 1989 per arrivare al nuovo telescopio COCHISE installato durante la spedizione del 2006/2007 presso la base italo-francese Dome C sullĠalto Plateau antartico che permettera' di ottimizzare le caratteristiche dei futuri telescopi che potranno costituire un Osservatorio permanente presso la base italiana in Antartide Concordia.

Parallelamente a questa attivita' il nostro gruppo si occupa dello sviluppo e della realizzazione di sistemi di refrigerazione da utilizzare con rivelatori infrarossi  in vari settori della ricerca, non solo astrofisica. In questo ambito, ed in collaborazione con colleghi italiani e stranieri abbiamo realizzato i primi prototipi di bolometri da utilizzare al fuoco di telescopi infrarossi e sub-millimetrici.

5. L'Universo Luminoso, l'Universo Oscuro e la sua Cosmologia

Tra le sfide piu' interessanti che la moderna Cosmologia deve affrontare c'e' sicuramente quella relativa alla natura della Materia ed Energia Oscura, ovvero quelle componenti che, secondo le indicazioni osservative costituiscono attualmente il 96 % della massa/energia dell'Universo. Le indicazioni dell'esistenza di queste due componenti non sono di tipo diretto, poiche'  ne' l'una ne' l'altra sono state rivelate da esperimenti in laboratorio, ma di tipo  indiretto, dal momento che queste componenti sono in grado, attraverso l'influenza gravitazionale che esse esercitano,  di modificare  la dinamica, distribuzione e abbondanza  degli oggetti extragalattici nonche' l'evoluzione dell'Universo nella sua globalita'. 

L'indagine del nostro gruppo si sviluppa lungo tre direttrici. Anzitutto agendo all'interfaccia tra teoria ed oservazioni ci proponiamo di utilizzare i dati osservativi esistenti per vincolare le proprieta' di entrambe queste componenti. In secondo luogo, da un punto di vista teorico, il nostro gruppo ha sviluppato e  sta sviluppando nuovi modelli di Energia e Materia Oscura che soddisfino gli attuali vincoli osservativi. Infine, da un punto di vista piu' sperimentale, ci proponiamo di  di ottimizzare le caratteristiche sperimentali e le strategie osservatove che i telescopi ed i satelliti di nuova generazione dovranno avere per poter caratterizzare le proprieta' della Materia e dell'Energia Oscura al fine di svelarne la natura.

6. Raggi Cosmici e Sistema Solare

I Raggi Cosmici sono uno strumento di indagine alternativo alla radiazione elettromagnetica  che risulta essere fondamentale per lo studio del mezzo interplanetario. La loro modulazione permette di studiare il campo magnetico dell'eliosfera. Inoltre, essi forniscono importanti informazioni sulla attivita' solare, specialmente durante i periodi di attivita' piu' intensa. Dal monitoraggio dei Raggi Cosmici e' possibile prevedere l'occorrenza di tempeste magnetiche nel mezzo interplanetario, che possono essere pericolose per  la tecnologia umana non solo nello spazio, ma anche sulla superficie terrestre. Il gruppo Raggi Cosmici di Roma Tre ha installato in Area un rivelatore che permette il monitoraggio del flusso e della modulazione della componente nucleonica dei raggi cosmici.  Tale attività è svolta in collaborazione con il Reparto Raggi Cosmici dell'Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario dell'INAF che opera nel Area.

7. Didattica e Comunicazione della Fisica e del'Astronomia

Il nostro gruppo in collaborazione con le altre linee di ricerca presnti nel Area promuove attivamente la didattica e la comunicazione delle scienze fisiche attraverso una stretta collaborazione tra insegnanti e ricercatori che sviluppano progetti e programmi  educativi inseriti  nella normale attivitˆ  curriculare. Lo scopo e' quello di avvicinare il mondo della scuola a quello della ricerca scientifica al fine di stimolare  l'interesse degli studenti verso le  scienze fisiche ed astronomiche e, nel contempo, di favorire la trasmissione alla società delle più recenti scoperte scientifiche.

Nell'Ambito del Progetto Nazionale Lauree Scientifiche (vedi link http://webusers.fis.uniroma3.it/~pls/iniziative.htm), a tal fine vengono promosse due tipi di iniziative. Da una parte vengono organizzate attività ed esperienze di laboratorio per i ragazzi delle scuole superiori e dall'altra in collaborazione con ricercatori di pedagogia, seminari di approfondimento delle metodologie nella didattica della Fisica e corsi di aggiornamento rivolti agli insegnati di di Fisica e di Scienze Naturali.

 

 

 

Responsabile pagine Web per l'Area Astrofisica Prof. Enzo Branchini

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