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 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 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. 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 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 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 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 nell'interazione tra Cosmologia e Fisica fondamentale. Questa include lo studio dell'Universo primordiale, da un lato, e dell'accelerazione cosmica attuale, dall'altro. Il nostro lavoro di ricerca sulla fisica dell'Universo primordiale ruota attorno ai meccanismi inflazionari per la generazione delle perturbazioni cosmologiche primordiali, considerando sia gli aspetti teorici che quelli osservativi. Un notevole sforzo viene dedicato all'analisi della statistica delle fluttuazioni primordiali - ovvero, alla possibile deviazione dalla Gaussianità - e allo studio dell'influenza del fondo di onde gravitazionali primordiali (PGWB) prodotto dall’inflazione.

Questo lavoro include la modellizzazione teorica, l'analisi delle potenziali segnature del PGWB nel modo B di polarizzazione del fondo cosmico alle microonde (CMB) e la combinazione di dati CMB con misure dirette 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 astrofisiche primordiali che per quelle dell’universo recente, ci concentriamo sulla caratterizzazione dei backgrounds, tenendo anche conto degli effetti della propagazione delle onde gravitazionali attraverso disomogeneità cosmiche. Il gruppo è stato fortemente coinvolto nella missione Planck, per tutta la durata della collaborazione, ed è ora coinvolto in diverse importanti collaborazioni sperimentali internazionali, quali Euclid, SKA, LISA ed Einstein Telescope.

Un'altra importante area di ricerca è incentrata sullo studio della formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche, sia per mezzo di simulazioni numeriche N-body che con strumenti analitici o semi-analitici. La nostra ricerca si concentra sull'evoluzione non lineare della LSS, con l'obiettivo di fornire nuovi test per energia oscura / modelli MG o per le condizioni iniziali da inflazione. Questa ricerca, oltre al suo evidente interesse dal punto di vista puramente cosmologico, ha anche profonde implicazioni per lo studio sulla natura della materia oscura, dal punto di vista della fisica delle particelle.

  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. The ongoing scientific activities of the stellar evolution group are strongly committed to the development of the STARKEY project (ERC Consolidator Grant, PI P. Marigo). It focuses on the advanced evolutionary phases of low mass stars (1-8 Msun ) that play a critical role in the interpretation of various aspects of astrophysics, from the chemical composition of meteorites belonging to 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 (> 107 g/cm3) 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 the Early Universe, on one side, and of the present-day cosmic acceleration, on the other side. 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 the statistics of primordial fluctuations – namely, their deviations from Gaussianity – and to the study of the Primordial Gravitational Wave Background (PGWB) from inflation.  This work includes theoretical modelling, the analysis of PGWB potential signatures in the Cosmic Microwave Background (CMB) polarization B-mode and the combination of CMB data with direct interferometer measurements. 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 Large-Scale Structure (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 has been very strongly involved in the Planck mission, throughout the entire duration of the collaboration, and is now involved in several important international experimental collaborations, such as Euclid, SKA, LISA and Einstein Telescope.

Another important area of work is the study of the formation and evolution of cosmic structures, both via numerical N-body simulations and analytical/semi-analytical tools. We focus on the non-linear evolution of LSS, with the aim of either providing new tests for dark energy/MG models or initial conditions from inflation. This research, besides its obvious interest from a purely cosmological view, also bears profound implications for studies of the nature of Dark Matter, from a Particle Physics perspective.