Attività di ricerca

Astrofisica Teorica

Struttura ed Evoluzione Stellare

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 Astrofisica (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'opacità 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'età 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 è 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 più importanti telescopi e survey astronomiche presenti e future. Nell'ambito della nucleosintesi stellare è 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. dell'astrofisica, dalla composizione chimica delle meteoriti della nebula presolare fino alle proprietà spettro-fotometriche delle galassie ad alto redshift. Muovendo dai risultati raggiunti nel progetto STARKEY (ERC Consolidator Grant, PI P. Marigo), le attività scientifiche del gruppo di evoluzione stellare sono fortemente impegnate nello
sviluppo di una modellistica dettagliata per le 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 proprietà spettro-fotometriche delle galassie ad alto redshift.

Stelle di neutroni

Le stelle più 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 che 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 quantoelettrodinamica 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 eXTP) che potranno rivelare effetti di QED ancora non verificati in laboratorio, come la birifrangenza del vuoto magnetizzato.

Cosmologia

I principali interessi di ricerca del nostro gruppo risiedono all'intersezione tra Cosmologia e Fisica fondamentale. Questa include lo studio sia dell'Universo primordiale che della struttura a grande scala dell’Universo. Il nostro lavoro di ricerca sulla fisica dell'Universo primordiale ruota attorno ai meccanismi inflazionari per la generazione delle perturbazioni cosmologiche, considerando sia gli aspetti teorici che quelli osservativi. Un notevole sforzo viene dedicato all'analisi delle fluttuazioni primordiali e alla loro statistica - ovvero, alla possibile deviazione dalla Gaussianità, allo studio del fondo di onde gravitazionali (GWB) prodotto dall’inflazione e da sorgenti astrofisiche. Siamo fortemente coinvolti nella modellizzazione e studio dell’evoluzione di strutture su grande scala e sul come utilizzare tali osservazioni per testare modelli cosmologici.

Questo lavoro include la modellizzazione teorica, l'analisi delle potenziali segnature del GWB primordiale nel modo B di polarizzazione del fondo cosmico alle microonde (CMB) e la caratterizzazione per la misura diretta da interferometri. Per quanto riguarda l'accelerazione cosmica a nell’Universo a basso redshift, il nostro interesse è incentrato sullo studio dei modelli di gravità modificata (MG) sulle scale cosmologiche, includendo predizioni teoriche e misura delle segnature osservative di tali modelli nei dati CMB e di Large-Scale Structure (LSS). Queste misurazioni dipendono fortemente dai dettagli dell'espansione accelerata e possono essere utilizzate per stabilire forti vincoli su MG. Sia per le sorgenti primordiali che per quelle astrofisiche di onde gravitazionali, ci concentriamo sulla caratterizzazione dei backgrounds, tenendo anche conto degli effetti della propagazione delle onde gravitazionali attraverso disomogeneità cosmiche. Il gruppo è coinvolto in diverse importanti collaborazioni internazionali, quali Einstein Telescope, Euclid, LISA, LiteBird, SKA ed ha avuto un ruolo fondamentale nella missione Planck, per la parte di inflazione e non-Gaussianità.

Un'area di ricerca molto importante per il nostro gruppo è rappresentata dallo studio della formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche a grande scala, sia per mezzo di strumenti analitici che simulazioni numeriche, includendo anche effetti general relativistici. Il nostro focus è l’evoluzione della LSS, con l’obiettivo di fornire nuovi test per modelli di energia oscura, gravità e fisica dell’Universo primordiale. Nell’ambito di questo argomento, il nostro gruppo è fortemente coinvolto in molte importanti surveys cosmologiche, incluse quelle ottenibili dal satellite Euclid dell’ESA e dal progetto internazionale per l’array radio SKA. Infine, siamo in prima linea nello sviluppo di analisi congiunte di onde gravitazionali e surveys di LSS; questo in particolare è collegato allo  studio dell’origine e della fisica dei buchi neri, e allo studio di buchi neri primordiali.

  Research Activity

Theoretical Astrophysics

Stellar Structure and Evolution 

This research line has a recognized leading position in the international context. It is based on the fruitful collaboration between researchers at the Department of Physics and Astronomy (DFA) in Padua, the National Institute of Astrophysics (INAF) in Padua, and the International School for Advanced Studies (SISSA) in Trieste. The theoretical investigation deals with several aspects of stellar physics, in particular: the equation state and the opacity of atomic and molecular gas, the analysis of stellar oscillations (asteroseismology), the computation of static and dynamic atmospheres of cool stars, the equation of radiative transport across circumstellar dusty envelopes, mixing processes and nucleosynthesis in the stellar interiors. These physical ingredients are then used to compute large grids of stellar evolutionary tracks and isochrones as a function of age and initial chemical composition. All "stellar deliverables" are made publicly available through dedicated web interfaces of widespread use. Another active line of research is the stellar population synthesis. We can simulate in detail the stellar populations in galaxies and their evolutionary properties in all photometric bands of the major astronomical telescopes and surveys. In relation to stellar nucleosyntesis we mention the collaboration with the National Institute of Physics Nucleare (INFN), in the framework of LUNA and LUNA-MV projects, and the participation in the European ECOST Action CheTEC. Building on the results achieved with the STARKEY project (ERC Consolidator Grant, PI P. Marigo), the scientific activities of the stellar evolution group are strongly committed to the development of detailed modeling for the advanced evolutionary phases of low-mass stars (with mass 1- 8 Msun), which play a crucial role in the interpretation of multiple aspects of astrophysics, from the chemical composition of meteorites in the pre-solar nebula to the spectro-photometric properties of high redshift galaxies.

Neutron Star Astrophysics

Stars with a mass in between about 8 and 25 solar masses ends their life in a core-collapse supernova explosion. The density in the contracting core becomes so high to make the formation of neutrons through electron capture by protons energetically favourable. The enormous pressure exerted by degenerate neutrons finally halts the collapse and a neutron star is born. With radius 10-15 km and mass 1-2 solar masses, neutron stars are the densest objects and the strongest magnets known in the present universe. The combination of extreme density, gravity and magnetic field makes neutron stars ideal cosmic laboratories where to test fundamental physical theories, from quantum electro-and chromo-dynamics to general relativity in the strong field limit.

Our team has a strong track record and a leading international role in neutron star astrophysics with particular regard to the theoretical and observational investigation of high-energy (through space observatories like Chandra, XMM, Swift and INTEGRAL) and optical (with VLT and HST) emission from isolated neutron stars. A major research effort is aimed to Soft Gamma Repeaters and Anomalous X-ray pulsars, X-ray sources hosting an ultra-magnetized neutron star, or “magnetar”, with a magnetic field exceeding the quantum critical limit. Our team is actively involved in the development of new X-ray polarimetric missions (IXPE and eXTP) which offer an unique opportunity to directly observe QED effects, like the magnetized vacuum birefringence, predicted more than 80 years ago and never tested in the lab.

Cosmology

The main research interests of our group lie in the interplay between Cosmology and Fundamental Physics. This involves studies of both the physics of the Early Universe and of the Large-Scale Structure (LSS) of the Universe. Our study of Early Universe Physics revolves around inflationary mechanisms for the generation of primordial cosmological perturbations, considering both theoretical and observational aspects. We devote much effort to the analysis of primordial fluctuations and to their statistics - namely, their deviations from Gaussianity, and to the study of the Gravitational Wave Background (GWB) from inflation and from astrophysical sources. We are heavily involved in the modeling of the evolution of the large-scale structure of the Universe and how to use it to constrain cosmological models.

This work includes theoretical modeling, the analysis of primordial GWB potential signatures in the Cosmic Microwave Background (CMB) polarization B-mode and the characterization for their measurement with interferometers. Regarding low-redshift cosmic acceleration, our interest is centred on the study of Modified Gravity (MG) models on cosmological scales, including predicting and measuring observational signatures of such models in CMB and LSS datasets. These measurements are strongly dependent on the details of the accelerated expansion and can be used to set strong constraints on MG. For both primordial and late-universe astrophysical sources, we focus on the characterization of the backgrounds including also the effects of the propagation of gravitational waves through cosmic inhomogeneities. The group is deeply involved in several important international experimental collaborations, such as the Einstein Telescope, Euclid, LISA, LiteBird, SKA and has been very strongly involved in the Planck mission, for the analysis dedicated to inflation and non-Gaussianity.

A very important area of investigation for our group is the study of the formation and evolution of large-scale cosmic structures, both via analytical tools and numerical simulations, also including General Relativistic effects. We focus on the evolution of LSS, with the aim of providing new tests for dark energy models, tests of gravity and early universe physics. Within this topic, our group is strongly involved in several cosmological surveys, including the ESA satellite Euclid and the international collaboration SKA. Finally, we are at the forefront of the development of joint GW-LSS analyses, in particular for the study of the physics and the origin of black holes and for the study of primordial black holes.