Astrofisica e Fisica Astroparticellare presso

il Dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara

Filippo Frontera

Meeting INAFBologna 7/01/2004

Sommario

• Attività di formazione• Attività scientifica• Collaborazioni• Conclusioni

Corsi di laurea di I livello• Fisica e Astrofisica• Meteorologia e Ambiente• Tecnologie Fisiche Innovative

• Tre insegnamenti specifici di astrofisica:a) Elementi di Astrofisica b) Misure Astronomiche

c) Misure Astrofisiche• Corsi integrativi tenuti da ricercatori IASF Bologna• Collaborazione dell’OA Bologna per esercitazioni al

telescopio di Loiano

Corso di Laurea Specialistica• Fisica con 8 indirizzi, tra cui Astrofisica e Fisica dello

Spazio

• Insegnamenti specifici di Astrofisica:a) Fondamenti di Astronomiab) Astrofisica nucleare e subnuclearec) Stelle, Galassie e Mezzo Interstellare d) Osservazioni di raggi X e gamma celestie) Osservazioni Radio-Ottichef) Astrofisica Alte Energieg) Cosmologia

Dottorato di ricerca in Fisica • 10 curricula di cui due di orientamento astrofisico:

a) Astrofisica b) Fisica astro-particellare• Attività formativa in Astrofisica:

a) attività di ricerca per preparazione della tesib) seminari settimanali;c) Corsi attivati esplicitamente per il dottorato (A/A 2003-04: C. Broggini: Metodi sperimentali di astrofisica nucleare; V. Castellani: Evoluzione stellare e fisica nucleare; A. Dolgov: Cosmology and particle physics; P. Fortini: Metodi di rivelazione di onde gravitazionali).

• Collaborazione di vari Istituzioni Scientifiche, tra cui IASF Bologna.

Ricerca di orientamento astrofisico

• Astrofisica nucleare e subnucleare (attività principalmente teorica)

• Ricerca Onde Gravitazionali (attività teorica in collaborazione con Gruppo AURIGA, LNL)

• Astrofisica delle Alte Energie (attività sperimentale, osservativa, analisi dati e interpretazione)

Gruppo di Astrofisica Nucleare e Subnucleare

• Gianni Fiorentini Prof. ord. (Coordinatore)• Vittorio Castellani Prof. a contratto• Alexander Dolgov Dir. Ricerca INFN• Alessandro Drago Ric. Univ.• Barbara Ricci Ric. Univ. • Francesco Villante Ric. Univ.• Fabio Mantovani Dottorando

Collaborazioni con Mosca (ITEP), Princeton (IAS), Zurich (ETH), Paris VI, CERN, Bochum, Lab. Gran Sasso, L’Aquila, Cagliari, Siena, Torino…

Astrofisica Nucleare: il progetto LUNA•G. Fiorentini ha proposto la realizzazione di un acceleratore nel laboratorio del Gran Sasso, per lo studio di reazioni nucleari alle energie di interesse astrofisico.

•Il progetto LUNA, realizzato dall’INFN, ha effettuato misure di 3He+3He 4He +2p direttamente alle energie di combustione nel sole.

•Nel dicembre 2003 e’ stata misurata la reazione chiave del ciclo CNO, p+14N15O+ e se ne sono studiate le implicazioni sui neutrini solari e sull’eta’ degli ammassi globulari.

•E’ allo studio la possibilita’ di effettuare nuove misure della 12C+16O+

Materia nucleare, materia a quarks e GRB

• A. Drago, in collaborazione, studia:a) le equazioni di stato per materia nucleare e la

transizione a “quark matter “ ad alte densità.

b) la possibilità che i GRB siano il risultato di una transizione ritardata a una fase di quark deconfinati (alternativa al collasso NSBH previsto nel modello “supranova” per GRBs, Vietri e Stella 1998).

• Tra i lavori più recenti: "Gamma Ray Bursts from Delayed Quark from

Deconfinement Phase Transition in Neutron Stars, Nucl.Phys. 113, 268-274 (2002).

“ Gamma Ray Bursts from Delayed Collapse of Neutron Stars to Quark Matter Stars, ApJ, 586, 1250 (2003)

Neutrini in Fisica e Astrofisica

• Si e’ adesso in nuova fase del neutrino, in cui questo può essere usato come sonda degli interni stellari.

• Dai dati di esperimenti con neutrini G.F. et al. hanno determinato (osservativamente) la temperatura nel centro del sole

T= (15.7 ± 0.1) 106 K

• Recentemente si e’ studiato il fondo galattico e cosmico dei neutrini termonucleari.

I gruppi di Fiorentini e Castellani si occupano da lungo tempo di neutrini solari e del problema –adesso risolto – delle oscillazioni.

Neutrini in Cosmologia

• Limiti cosmologici su massa e numero di neutrini

• Possibilità di neutrini

instabili.

• Leptogenesi e bariogenesi

• Neutrini e radiazione cosmica a microonde.

• Review di Dolgov su Physics Reports 2002

Dolgov e Villante sono particolarmente attivi nello studio dei neutrini in cosmologia, con particolare riguardo al loro ruolo nella nucleosintesi primordiale e nelle fasi precedenti a questa:

Pianeti extrasolari e asterosismologia• Le stelle intorno alle quali sono

osservati pianeti presentano un eccesso di metallicita’.

• Fiorentini e Ricci studiano la possibilita’ di determinare con metodi di asterosismologia la metallicita’ interna delle stelle che ospitano sistemi planetari.

• Questo al fine di capire se l’eccesso di metallicita’ osservato in superficie possa essere dovuto a impatti di planetesimi nella fase di formazione del sistema planetario

• .

Laws et al. Astro-ph/0302111Z=0.02

4Z=0.016

Fe/H

Ricerca Onde Gravitazionali• P. L. Fortini (Prof. Ass.) si occupa di problematiche teoriche

legate alla ricerca di segnali gravitazionali da oggetti celesti.

• Attività svolta in stretta collaborazione con Gruppo “Auriga” (Resp. M. Cerdonio), presso Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN.

• Lavori recenti:a) ricerca di segnale gravitazionale da GRBs nei dati dell’antenna Auriga (Class.Quant.Grav. 19, 1367-1375 (2002) b) Modello di emissione di onde gravitazionali da BH che sta per essere fagocitata da super-BH (106-107 Mּס).

Gruppo Astrofisica Alte Energie

• P. De Chiara Ric. Univ.• R. Farinelli Post Doc• F. Frontera Prof. Ord. (Coordinatore)• C. Guidorzi Post Doc• G. Loffredo Dottorando• E. Montanari Post Doc• D. Pellicciotta Dottorando• A. Pisa Dottorando

• Servizi (Meccanica, Informatica, Elettronica)

Collaborazioni

• IASF Bologna • IASF Roma, Milano, Palermo,• OAR Monte Porzio; OAB Merate; • Scuola Normale Superiore di Pisa;• DSRI Copenaghen; ESRF e ILL Grenoble• University of California Berkeley CALTECH• Rice University Università di Dublino • Partecipazione al Progetto di Network Europeo NADRASS

(Network on ADvanced Radiation Sensing in Space), PI: R. Battiston;• Accordo di Cooperazione triennale con Accademia delle Scienze

Cinesi in “X-ray astronomy and Related Fields” approvato da Ministero Affari Esteri (scad. 2005).

AAE a Ferrara: progetti passati, correnti

• INTEGRAL:a) Co-I ship JEM-X;b) Attività: sviluppo e collaudo collimatori di campo, sviluppo facility X per calibrazioni di Terra di JEM-X; campagna di calibrazioni JEM-X. Misure trasparenza supporto maschera codificata di IBIS. Sviluppo S/W per analisi dati JEM-X.

•BeppoSAX:a) PI-ship PDS e GRBM condivisa con IASF-Bologna; b) Attività: test di prototipi, calibrazioni pre-lancio, codice MC per matrice di risposta PDS, contributo a sviluppo MC per GRBM, finalizzazione e collaudo matrice di risposta GRBM. Sviluppo S/W per identificazione e allerta automatico GRBs. Analisi dati.

AAE a Ferrara: R&D• “Sviluppo di ottiche per

raggi X duri (>60 keV) con cristalli a mosaico”a) Attività iniziata nei primi anni ’90 (e.g., De Chiara & Frontera 1992, Frontera & Pareschi 1995) interrotta durante quasi tutta la vita operativa di BeppoSAX, ripresa nel 2001.b) Sviluppo di importanza strategica per future missioni;c) Finanziamento ASI (2001: 82. 6 K€; 2002: 220.3 K€, Premio Cartesio: 50 K €d) Partecipanti: IASF Bologna; OAB Merate, ESRF Grenoble, DSRI Copenaghen, ILL Grenoble.

Cyg X-1, soft state

Stato dell’arte ottiche X duri con cristalli a mosaico

• Studio di fattibilità lente di Laue (60-200 keV) in corso;

• Campioni di cristalli a mosaico sviluppati presso ILL Grenoble (Cu [111]) e Optigraph Mosca (HOPG [002])

• Test campioni alla Facility X di Ferrara;

• Progetto meccanico di prototipo lente: in corso (IASF Bo).

Cu (111) reflectivity curve

AAE a Ferrara: Facility X duri (≤400 keV) un’opportunità per la Comunità Astrofisica Nazionale

• Primo nucleo di facility: primi anni ’90 per il progetto SAX ;

• Primi sviluppi per “Sviluppo tecniche di focalizzazione raggi X duri per astronomia spaziale” ;

• Upgrading: per la calibrazione INTEGRAL/JEM-X;

• Progetto di estensione facility (LARIX) in corso

• Obiettivo: calibrazione di ottiche e rivelatori X duri;

• Finanziamenti per estensione: finora UNIFE e INFN.

• Richiesta all’ASI: pending.

Progetto LARIX• Beam line di 100 m• Due grandi sale sperimentali, in una delle quali

alloggiare le sorgenti, nell’altra l’ottica (o strumento) da testare;

• Banda di lavoro: raggi X duri fino a 400 keV

AAE a Ferrara: studio GRBs• Partecipazione alle maggiori

scoperte fatte con BeppoSAX sui GRBs (Premio B. Rossi 1998, Premio Cartesio 2002)

• Studi correnti di GRBs rivelati con BeppoSAX (finanziamento COFIN, ASI 2002):a) Catalogo GRBs b) Evoluzione spettrale GRBs osservati con GRBM e WFCs;c) Studio GRBs brevi (<1s);d) Ricerca di correlazioni tra luminosità osservabili;e) Variabilità erratica GRBs.

• Collaborazione a Core Program INTEGRAL su GRBs.

• Partecipazione a Progetto ASI su Modellistica AAE (GRBs)

Guidorzi et al., in preparation

Frontera et al., submitted ApJ

AAE a Ferrara: studio Oggetti Compatti

• Studio di Oggetti Compatti con BeppoSAX, INTEGRAL (finanziamento COFIN, ASI):a) Studio delle proprietà spettrali e temporali emissione gamma da SGRs (es., Guidorzi et al. 2004, A&A in press);b) NS con basso B in LMXBs: ricerca di componenti di alta energia; test di modelli unificati BHC/NS.c) BHC transienti in LMXBs: studio proprietà spettrali e temporali vs. Luminosità,

Montanari et al. 2004

Farinelli et al. 2003

CONCLUSIONI• Dal Dipartimento di Fisica Ferrara:

a) impegno rilevante per la formazione in campo astrofisico;b) un significativo spazio alla ricerca astrofisica.

• Questo atteggiamento non è solo di Ferrara e mostra il ruolo strategico della ricerca astrofisica, che si affianca a quella di Fisica delle Alte Energie e di Fisica della Materia.

• La collaborazione Dipartimenti Universitari – INAF è sinergica per far crescere la ricerca astrofisica nazionale (esperienza INFN insegna);

• Ci si aspetta che il nuovo INAF tenga conto di questa realtà e che coinvolga i Dipartimenti impegnati in astrofisica attraverso:a) Associatura a pieno titolo dei Prof. Universitari impegnati in ricerca astrofisica, indipendentemente dal raggruppamento disciplinare di cui fanno parte per ragioni didattiche;b) Costituzione di Unità Operative INAF (anche piccole) all’interno dei Dipartimenti interessati.

FINE presentazione

Prospettive• Partecipazione a possibili future missioni nazionali in

AAE;• Partecipazione a missione LOBSTER-ISS (contributo

già dato per studio di fase A di GRBM avanzato in collaborazione con IASF Bologna);

• Sfruttamento dati pubblici missione SWIFT per studio GRBs (collaborazione italiana);

• Cooperazione con Accademia delle Scienze Cinesi per per survey del cielo X a 100 keV (HXMT).