Astrofisica Teorica e Cosmologia

Astrofisica teorica e Cosmologia

Staff

Nicola Bartolo, Daniele Bertacca, Michele Liguori, Paola Marigo, Sabino Matarrese, Giuseppe Tormen, Roberto Turolla

Postdoc e assegnisti

Bernhard Aringer, Yang Chen, Dionysios Karagiannis, Purnendu Karmakar, Andrei Lazanu, Josefina Montalban, Ambra Nanni, Angelo Ricciardone, Stefano Rubele, Roberto Taverna, Michele Trabucchi

Studenti di dottorato

Giampaolo Benevento, Alexander Ganz, Denis Gonzalez Canjulef, Filippo Oppizzi, Giorgio Orlando, Giada Pastorelli, Andrea Ravenni, Elena Sarpa

Astrofisica Teorica

Struttura ed Evoluzione Stellari

Questa linea di ricerca occupa una posizione di riferimento nel panorama scientifico internazionale. Si fonda sulla collaborazione tra ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia (DFA) di Padova, dell'Istituto Nazionale di Astrofisca (INAF) di Padova e della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) a Trieste. L'indagine teorica affronta molteplici aspetti della fisica stellare, in particolare: l'equazione di stato e l'opacita' del gas atomico e molecolare, l'analisi delle oscillazioni stellari (astrosismologia), il calcolo di atmosfere statiche e dinamiche di stelle fredde, la soluzione dell'equazione del trasporto radiativo in presenza di polveri circumstellari, la trattazione dei processi di mescolamento e di nucleosintesi negli interni stellari. Questi ingredienti fisici sono quindi utilizzati per il calcolo di estese griglie di tracce evolutive e di isocrone al variare dell'eta' e della composizione chimica iniziale delle stelle.  Tutti i prodotti della ricerca stellare sono resi disponibili mediante pubblicazioni e interfacce  web dedicate di ampio utilizzo. Un'altra linea di ricerca di riferimento e' quella della sintesi di popolazioni stellari. Siamo in grado di simulare in modo dettagliato le popolazioni stellari di galassie in tutte le bande fotometriche dei piu' importanti telescopi e survey astronomiche presenti e future. Nell'ambito della nucleosintesi stellare e' attiva la collaborazione con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) nell'ambito del progetti LUNA e LUNA-MV, e la partecipazione al progetto europeo ECOST CheTEC. Le attivita' scientifiche del gruppo di evoluzione stellare sono fortemente impegnate nello sviluppo del progetto STARKEY (ERC Consolidator Grant, PI P. Marigo). Il progetto si focalizza sulle fasi evolutive avanzate delle stelle di piccola massa (con massa 1-8 Msole) che ricoprono un ruolo cruciale nell'interpretazione di molteplici aspetti dell'astrofisica, dalla composizione chimica delle meteoriti della nebula pre-solare fino alle proprieta' spettro-fotometriche delle galassie ad alto redshift.


Stelle di neutroni

Le stelle piu' massicce (oltre 8-10 volte la massa del sole) terminano la propria esistenza in un'esplosione di supernova. Se la massa iniziale della stella è inferiore a circa 25 volte quella solare, la densità nel nucleo diventa così elevata da rendere energeticamente favorevole la progressiva neutronizzazione della materia, fino a chè l'enorme pressione dei neutroni degeneri riesce ad arrestare il collasso. La struttura che ne risulta è una stella di neutroni. Con raggio di 10-15 km e massa di 1-2 masse solari, le stelle di neutroni sono gli oggetti conosciuti più densi e i più potenti magneti nell’universo attuale.
La combinazione di altissime densità, enorme gravità ed intensissimi campi magnetici fa delle stelle di neutroni laboratori ideali per testare la fisica fondamentale, dalla quanto-elettrodinamica alla quanto-cromodinamica alla relatività generale, nel limite di campo forte. A Padova è attiva da tempo una linea di ricerca sulle stelle di neutroni, rivolta in particolare allo studio, teorico ed osservativo, delle loro proprietà di emissione in banda X (Chandra, XMM, Swift e INTEGRAL) e ottica (VLT, HST), con particolare riguardo ai Soft Gamma Repeaters e gli Anomalous X-ray pulsars, sorgenti X che contengono una “magnetar”, una stella di neutroni con campo magnetico ultra-intenso, superiore al campo critico quantistico. Il gruppo partecipa attivamente alle nuove missioni di polarimetria X (IXPE e XIPE) che potranno rivelare effetti di QED ancora non verificati in laboratorio, come la birifrangenza del vuoto magnetizzato.


Cosmologia e Fisica fondamentale

Il gruppo è particolarmente attivo nello sviluppo di linee di ricerca che si pongono all'interfaccia tra la Cosmologia e la Fisica Fondamentale, legate allo studio dell'Universo nelle sue prime fasi di vita e alla comprensione dei meccanismi che portano all'attuale accelerazione nell'espansione cosmologica.
Per quanto riguarda l'Universo primordiale, ci concentriamo sull'analisi, sia teorica che osservativa, delle proprietà statistiche delle fluttuazioni primordiali da Inflazione - nello specifico, lo studio di deviazioni dalla Gaussianità di tali fluttuazioni – e sullo studio del fondo inflazionario di onde gravitazionali. . L'obiettivo è quello di giungere a una conferma definitiva dell'inflazione cosmologica e a una comprensione accurata dei meccanismi inflazionari e delle scale di energia coinvolte.
Relativamente all'accelerazione cosmica a bassi redhsift, particolare attenzione è posta  sullo studio di modelli di gravità modificata su scale cosmologiche, includendo gli aspetti legati all'evidenza osservativa di tali modelli in misure del fondo cosmico di microonde e della struttura su grande scala dell'Universo. Tali osservabili presentano una notevole dipendenza dalle caratteristiche dell'espansione accelerata, e permettono di porre forti vincoli su modelli e parametrizzazioni di gravità modificata ed energia oscura.
Abbiamo un forte coinvolgimento in molte collaborazioni internazionali legate a missioni cosmologiche, quali Planck, Euclid SKA eLISA.


Evoluzione delle strutture cosmiche e materia oscura

Un'altra importante area di lavoro, consiste nello studio della formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche, con enfasi su analisi di carattere numerico, attraverso simulazioni N-body. Il tema principale di ricerca è l’analisi della formazione, evoluzione e caratterizzazione degli aloni di materia oscura in simulazioni numeriche N-body, con particolare attenzione: i) al legame tra le proprietà iniziali del campo di densità e le proprietà strutturali finali degli aloni di materia oscura e ii) alla descrizione e proprietà delle sottostrutture. Quest’area di ricerca ha anche importanti implicazioni sull’analisi della natura della Dark Matter, in un contesto di fisica particellare. In quest'ultimo ambito, un'altra tematica approfondita consiste nella ricerca di segnali di annichilazione e decadimento di materia oscura nel fondo diffuso di raggi gamma.