Linee di ricerca in fisica dei pianeti, astrofisica delle alte energie e cosmologia

N. Bartolo, M.Lazzarin, M. Liguori, F. Marzari, S. Matarrese, G. Tormen R. Turolla

Obiettivi della ricerca: Studiare la formazione dei pianeti extrasolari a partire da

dischi circumstellari

Modificare il modello standard di formazione per spiegare

i pianeti giganti vicino alla stella e le loro grandi

eccentricita'

Studiare in dettaglio i vari meccanismi di migrazione

planetaria per interazione con il disco e mareali

Capire la formazione di pianeti in sistemi binari e le loro

proprietà

Modello standard: i pianeti si formano da

un disco circumstellare composto da gas

e polvere che circonda la stella in

formazione. I pianeti si formano in situ con

una massa e composizione che e'

determinata dal profilo di temperatura e

densita' (gas e componente solida) del

disco circumstellare.

Formazione ed voluzione dei pianeti extrasolari e dischi circumstellari

F. Marzari

Dal Dal 1995 1995 in poiin poi

Missione KeplerMissione Kepler

664 sistemi planetari

842 pianeti

2300 candidati (Kepler)

51 Peg

Formazione ed evoluzione di pianeti in sistemi stellari binari: un Formazione ed evoluzione di pianeti in sistemi stellari binari: un problema complessoproblema complesso

Evoluzione di dischi circumstellari in sistemi binari

I planetesimi, precursori dei pianeti, sono perturbati dalle onde di densità del disco generate dalla gravità della stella secondaria e invece che formare corpi più massivi (i pianeti) tendono a craterizzarsi e frammentarsi.

Esempio di evoluzione orbitale di planetesimi in un disco parte di un sistema binario.

Manca un modello completo per l'evoluzione dei pianeti che includa tutta la fisica e dinamica i.e. formazione, migrazione, Planet-Planet scattering

Non c'e' una teoria consistente per l'origine dei planetesimi: contributo della turbolenza nell'instabilità gravitazionale?

Modelli idrodinamici sono troppo time-consuming in particolare in 3D per simulare l'evoluzione di polvere+gas e quindi capire la back-reaction di una componente sull'altra.

Necessitano informazioni osservative più precise sulla statistica dei pianeti (distribuzione in massa e elementi orbitali) e sulla vita media e proprietà dei dischi circumstellari.

Origine della viscosità nei dischi, dead zones e conseguenze per la migrazione planetaria e formazione dei pianeti giganti.

Alcuni problemi aperti.....

Importanza dello studio dei corpi minori: asteroidi e comete

•  Sono gli oggetti più primitivi del Sistema Solare, il loro studio consente di investigare le fasi primordiali della sua formazione ed evoluzione. In particolare le comete conservano un ricordo praticamente immodificato della composizione, temperatura e densità della nube da cui si formò il SS.

•  Gli asteroidi e le comete consentono di investigare l�evoluzione chimica, termica e dinamica del SS.

•  Le comete ci consentono di studiare il vento solare. Con lo studio della coda di ioni si ottengono ad esempio info sulla densità e velocità del vento.

•  Rappresentano le principali sorgenti di meteoriti che arrivano sulla Terra •  Gli impatti con questi oggetti sono forse la causa principale della

craterizzazione dei corpi nella regione interna del SS, compresa la Terra. •  Rappresentano quindi anche un fattore di rischio per la Terra e possono

essere stati responsabili di estinzioni di massa. •  Sono stati e sono veicoli di molecole organiche e di acqua (in particolare le

comete) e molto probabilmente responsabili dell�acqua e del sorgere della vita sulla Terra..

Componen'((

Monica Lazzarin - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova - Ricercatore monica.lazzarin@unipd.it(((Cesare Barbieri – Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova – PO cesare.barbieri@unipd.it Sara Magrin - CISAS - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova – Assegnista sara.magrin.1@unipd.it (Ivano Bertini – CISAS - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova - Assegnista Ivano.bertini@unipd.it Fiorangela La Forgia - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova – Assegnista fiorangela.laforgia@unipd.it (Maurizio Pajola – CISAS - Dip. di Fisica e Astronomia - Univ. di Padova – Assegnista maurizio.pajola@unipd.it Collaborazioni: Oss. di Torino, Oss. di Arcetri, Univ., Oss. di Roma. IASF di Roma, Univ. di Pisa, Obs. de Paris, Univ. of Hawaii, Max Planck Inst. Lindau, DLR Berlino, Univ. Boston., Inst. de Astrofisica de Canarias

Studio da Terra Studio di asteroidi e comete mediante indagine spettroscopica: studio composizione superficiale

Lo studio della composizione è fondamentale per conoscere l�origine e l�evoluzione di questi oggetti e quindi per investigare i processi evolutivi del Sistema Solare

Mauna Kea-Hawaii Observatory

Very Large Telescope-ESO-Paranal-Cile

Studio spettroscopico di asteroidi e comete:

Indagini principali: 1.Oggetti primitivi e di transizione, relazioni tra comete e asteroidi: indagine

spettroscopica degli asteroidi della fascia piu� esterna che hanno molto probabilmente mantenuto parte della composizione originaria e mostrano caratteristiche spettrali e mineralogiche molto simili a quelle dei nuclei cometari (composti del carbonio, ghiaccio, silicati anidri)

2. Alterazione acquosa: oggetti di tipo tassonomico C, tra 2.5 e 3.2 UA contengono

materiale idrato, prodotto da processi di alterazione acquosa: studio dell�evoluzione termica della fascia asteroidale

3. Studio spettrofotometrico di Kuiper Belt Objects: oggetti di tipo cometario con

ghiacci di varia natura posti agli estremi confini del Sistema Solare 4.SINEO: Spectroscopic Investigation of Near Earth Objects: survey spettroscopica

a lungo termine per studiare la composizione superficiale dei NEO. Abbiamo uno dei piu� estesi set di dati specttroscopici con circa 200 spettri nel visibile e NIR (0.4-2.5 micron). Indagini effettuate: classificazione tassonomica, confronto con spettri meteoritici, studio dello space weathering studio di oggetti peculiari come comete addormentate, famiglie di asteroidi, tipi tassonomici rari,…

Telescopi usati: NTT di ESO (Cile), TNG (Canarie), Asiago, Large Binocular

Telescope (Arizona)

di

Osservazioni dallo spazio Partecipazione alla missione spaziale dell�ESA ROSETTA con il

sistema di imaging OSIRIS, in volo verso la cometa Churyumov Gerasimenko dal 2004:

In maggio 2014 Rosetta si avvicinera’ alla cometa e la seguira’ per piu’ di un anno fino a

Dicembre 2015. Nel Novembre 2014 un piccolo robot, Philae, atterrera’ sulla sua superficie.

Una enorme quantita’ di dati fotometrici sara’ disponibile la cui analisi completa richiedera’ anni di riduzione e interpretazione.

Analisi principali: -Studiare la composizione mineralogica superficiale della cometa -Studiare la variegazione globale e la curva di fase (per mezzo della teoria di Hapke).

Fondamentale e’ lo studio e applicazione del modello di forma del nucleo cometario. -Monitorare aree attive della cometa e i loro cambiamenti (erosioni, processi esplosivi,

frammentazioni, collassi, ..) a causa dell’attivita’ e studiare i processi fisici coinvolti. -Studio della polvere e della sua evoluzione. -Studiare la composizione del gas della chioma e la sua evoluzione, fondamentale per

capire la natura delle molecole genitrici presenti nel nucleo e quindi la composizione del nucleo stesso che e’ uno degli obiettivi principali della missione.

Le Stelle di Neutroni

•  si formano nel collasso gravitazionale che accompagna un’esplosione di supernova

•  sono mantenute in equilibrio dalla pressione del gas degenere di neutroni

•  hanno massa di 1-2 M� e raggio di circa 10 km

•  densità e campi magnetici estremi, ρ ≈ 1015 g/cm3, B ≈ 1012 G = 108 T, paragonabili alla densità nucleare e 106 volte più intensi di quelli generati in laboratorio

Crab Pulsar: la stella di neutroni al centro (freccia) e la pulsar wind nebula circostante vista con il satellite Chandra nei raggi X

R. Turolla (stanza 237) turolla@pd.infn.it

Laboratori per la Fisica Fondamentale ü  contengono materia ultra-densa in quantità macroscopica (superconduttività, superfluidità, stati esotici: condensati pionici/kaonici, quark liberi) ü  informazioni sull’equazione di stato (EOS) della materia a densità supra-nucleari dalla misura di massa e raggio

ü  il solo ambiente in cui è possibile studiare il comportamento di materia e radiazione in campi magnetici ultra-intensi, B > BQED = 4.4x109 T

e - e+

γ

Linee di Ricerca - I

Studio osservativo (in banda X e ottica) e modellistico dell’emissione termica da stelle di neutroni isolate

Misura di raggio e massa

R dal fit spettrale in banda X/ottica con un modello per l’emissione termica dalla superficie M/R dalla misura di effetti general-relativistici (red-shift gravitazionale, deformazione dei profili di pulsazione)

Distribuzione spettrale della stella di neutroni Isolata RX J1856.5-3754 → R = 12 km

Determinazione della EOS !

Linee di Ricerca - II

Studio delle magnetars: stelle di neutroni ultra-magnetizzate (B ≈ 1010-1011 T)

Misura di una riga variabile di ciclotrone protonica nello spettro X della magnetar SGR 0418+5729 → B ~ 1011 T

Fisica in campi magnetici ultra-forti: birifrangenza del vuoto, one photon pair production, etc.

ℏ 𝜔↓𝐵 ~11.6  (𝑚↓𝑒 /𝑚 )(𝐵/10↑8   T )  keV

ℏ 𝜔↓𝐵,𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 ~11.6  MeV

A B ≈ 1011 T

ℏ 𝜔↓𝐵,𝑝𝑟𝑜𝑡𝑟𝑜𝑛 ~6.3  keV

Staff •  Nicola Bartolo (stanza 236) nicola.bartolo@pd.infn.i •  Michele Liguori (stanza 236) michele.liguori@p.infn.it •  Sabino Matarrese (stanza 238) sabino.matarrese@pd.infn.it •  Ornella Pantano (stanza 237) ornella.pantano@pd.infn.it •  Giuseppe Tormen giuseppe.tormen@pd.infn.it

Post-docs •  Frederico Arroja •  Maresuke Shiraishi •  Yuko Urakawa (visiting Professor)

Dottorandi •  Dario Cannone •  Dionysis Karagiannis •  Karmakar Purnendu •  Angelo Ricciardone

Cosmologia

Principali collaborazioni: SISSA Trieste, Univ. di Roma Tor Vergata, Dip. di Astronomia Univ. Bologna, DAMTP (Cambridge, UK), Imperial College (London, UK), ICREA (Barcellona), IAP (Parigi)

Linea di ricerca 1: Universo primordiale

•  Modelli inflazionari con campi scalari e/o di gauge (à effective field

theory of inflation) •  Generazione di perturbazioni di curvatura da fluttuazioni quantisiche

del vuoto e non-Gaussianita’ primordiale (in-in formalism) •  Generazione di onde gravitazionali primordiali

•  Inflazione: fase di espansione accelerata causata dall’energia del vuoto nell’Universo primordiale. •  Scenario standard per spiegare le prime perturbazioni di densita` da cui hanno avuto origine le strutture cosmiche

Linea di ricerca 2: Cosmic Microwave Background

•  Universo primordiale allo stato di plasma, •  barioni e fotoni fortemente accoppiati. •  Fotoni “intrappolati” nel plasma. Dopo la •  ricombinazione si propagano liberamente

•  Il CMB e` una fotografia dell’Universo •  ~300000 anni dopo il big bang. Miniera di •  informazioni sulle condizioni iniziali e sui •  parametri cosmologici

•  Analisi dati del CMB ad alta risoluzione, in temperatura e polarizzazione: Planck

•  Sviluppo di estimatori statistici per test delle condizioni iniziali

•  Studi teorici e numerici dell’evoluzione delle perturbazioni del CMB

Planck 2 10 500

1000

2000

3000

4000

5000

6000

D`[µK

2 ]

90� 18�

500 1000 1500 2000 2500

Multipole moment, `

1� 0.2� 0.1� 0.07�Angular scale

•  Ricerca di effetti della non-Gaussianita’ primordiale (inflazionaria) nella LSS •  Evoluzione delle perturbazioni in modelli con dark energy dinamica (e.g.

Galileone) e/o gravita’ modificata (e.g. f(R)) ed effetti sulla LSS •  Back-reaction delle perturbazioni cosmologiche e accelerazione cosmica

linea di ricerca 3: struttura su grande scala (LSS)

•  Le stelle sono organizzate in galassie, a loro volta raggruppate in ammassi di galassie. L’Universo su grandi scale presenta una tipica struttura “filamentare” (cosmic web), e sono circondati da grandi vuoti. Il contenuto in materia

e` dominato da materia oscura non barionica.

•  L’espansione dell’Universo attuale e` dominata dall’energia oscura, che ne determina l’accelerazione

Linea di ricerca 4: simulazioni N-body (LSS)

•  Nel modello cosmologico standard la LSS si forma per collasso gravitazionale delle piccole fluttuazioni primordiali al termine dell’inflazione

•  Simulazioni N-body: studiano l’evoluzione delle strutture attraverso complessi algoritmi numerici, che mirano a seguire l’evoluzione temporale di estese regioni dell’Universo.

•  Studio di simulazioni N-body per comprendere proprieta` e struttura degli aloni di materia oscura. Confronto con le osservazioni.