Astrofisica

L’Astrofisica si propone di studiare la struttura e l’evoluzione dell’Universo in tutte le sue componenti: dalle strutture più grandi (galassie e ammassi di galassie) a quelle più piccole (stelle e sistemi planetari), dai primi istanti dopo il Big Bang, fino ad oggi: 13 miliardi di anni dopo. Il laboratorio dell’astrofisico è l’intero Universo! Si ha l’opportunità di studiare fenomeni in condizioni fisiche (temperature, densità, dimensioni) estreme non riproducibili sulla Terra. Questo tipo di studi ha portato ad espandere le nostre conoscenze sulla natura della gravità, a scoprire l’esistenza dei buchi neri, a descrivere il comportamento della materia in condizioni super dense (immaginate di comprimere una portaerei in un cubo di un millimetro), a comprendere processi straordinari in grado di produrre in soli pochi secondi tutta l’energia emessa dal Sole nel corso di miliardi di anni. Più recentemente, lo studio di strutture cosmiche, dell’espansione dell’Universo e l’analisi nelle microonde del “calore” residuo del Big Bang diffuso su tutto il cielo, ha portato alla scoperta della materia oscura e dell’energia oscura: due dei più grandi enigmi della Fisica moderna.

Le attività di un astrofisico possono essere di tipo: 

Sperimentale, in cui si costruiscono complessi apparati strumentali di rivelazione di radiazione da sorgenti cosmiche, dalle onde radio fino ai raggi X e gamma, passando per le bande infrarosse ed ottiche. Questi vengono poi istallati in osservatori da Terra, ma spesso nello spazio.

Osservativo, in cui si progettano osservazioni che vengono poi condotte con telescopi dislocati in tutto il modo (tra i posti più belli della Terra!) o in modo remoto dal proprio ufficio.

Teorico, in cui si elaborano teorie fisiche dei vari processi cosmici, spesso con l’aiuto di supercomputer, con ingegnosi algoritmi numerici e metodi statistici.

La costruzione di strumenti e rivelatori per l’astrofisica richiede la ricerca di soluzioni ad elevato contenuto tecnologico (elettronica, ottica, meccanica di precisione). Il 90% degli investimenti per la costruzione dei più grandi telescopi terrestri e missioni spaziali va alle industrie high-tech, stimolando la loro produttività ed aumentando notevolmente la loro competitività.

Al dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara, il gruppo di astrofisica è impegnato in tutti questi tipi di attività, con conclamati risultati, riconoscimenti internazionali ed indicatori di produzione scientifica molto elevati. Tra i principali filoni di ricerca menzioniamo:

• L’attività sperimentale del laboratorio LARIX in cui si sta sviluppando un apparato per focheggiare raggi X duri utilizzando dei cristalli (per esempio tessere di germanio) opportunamente lavorati che deviano la radiazione X. Questa tecnologia avrà applicazioni rivoluzionarie quando sarà matura per essere portata in missioni spaziali di astrofisica delle alte energie e può avere importanti applicazioni in campo medico.
  

  Schema dell’apparato strumentale nel laboratorio LARIX per la costruzione di “lenti di Laue” per focheggiare raggi X duri.

• Lo studio della distribuzione di materia oscura in galassie ed ammassi di galassie con telescopi da terra e dallo spazio, utilizzando in particolare l’effetto delle lenti gravitazionali. Con questi studi si cerca di comprendere la natura della materia oscura e si possono misurare i parametri cosmologici che determinano la geometria e dinamica dell’intero Universo.

Immagine di un ammasso di galassie osservato con il telescopio spaziale Hubble. L’effetto lente gravitazionale distorce ed amplifica galassie sullo sfondo, permettendo di ricostruire la distribuzione di materia oscura nell’ammasso e di svelare galassie primordiali.

• Mappature profonde di cielo a varie lunghezze d’onda (Deep multi-wavelength surveys) coordinando osservazioni da terra e dallo spazio (nel radio, millimetrico, infrarosso, ottico, raggi-X), si studia la formazione ed evoluzione delle galassie, ammassi, e nuclei galattici attivi (dovuti all’accrescimento su buchi neri massicci).
• Lo studio di fenomeni transienti di alte energie (High-energy transient sky phenomena). L’idea di un cielo essenzialmente immutabile che la tradizione classica ci ha tramandato è stata letteralmente sconvolta dalle scoperte degli ultimi decenni, grazie alla crescente capacità di osservare l’Universo a molte frequenze diverse dello spettro elettromagnetico (e non solo) e su scale temporali via via minori. Molti di questi fenomeni sono legati alle turbolente e tribolate fasi finali della breve e tormentata vita (qualche milione di anni, che in termini astrofisici è un tempo brevissimo) delle stelle massicce, le quali poi esplodono finalmente come supernove, producendo un buco nero o una stella di neutroni. Tali stelle hanno un ruolo fondamentale nella produzione di tutti gli elementi chimici di cui è disseminato l’Universo e di cui siamo fatti noi stessi.
• Gamma-Ray Bursts (italiano: lampi di raggi gamma): Brevi ed intensi lampi di raggi gamma che segnano la morte catastrofica di stelle massicce. Sono tra i fenomeni esplosivi piu’ energetici dell’Universo e una delle classi di oggetti visibili alle distanze maggiori nell’Universo. Rilasciano in pochi secondi una quantita’ di energia paragonabile a quella rilasciata dal Sole in 10 miliardi di anni, come mostra questo video dimostrativo:

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