Summary of Astrophysics Laboratory

Course Syllabus

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Obiettivi

Introdurre la strumentazione e le tecniche osservative di base dell’astrofisica;
Consentire agli studenti di condurre i primi test ed osservazioni su sorgenti astronomiche;
Effettuare l'analisi delle osservazioni e determinare le osservabili fisiche.

L'insegnamento è diviso in due moduli di laboratorio più una serie di lezioni sulla programmazione in Python. I due moduli di laboratorio saranno preceduti da alcune ore di lezione introduttive all'attività di laboratorio.

Il primo modulo riguarda l'analisi di immagini fotometriche con il Telescopio Ottico Bicocca (TOBI) su regioni di formazione stellare in galassie.
Il secondo modulo riguarda l'osservazione spettroscopica e l'analisi dei dati acquisiti con il Radiotelescopio nella banda di 1.4 GHz su su regioni galattiche che contengono nubi di idrogeno atomico.
Il modulo di programmazione riguarda l'ntroduzione a Python ed all’uso di Jupyter Notebooks per il calcolo scientifico e l’analisi dei dati.

Programma esteso

L'insegnamento è diviso in due moduli di laboratorio più una serie di lezioni sulla programmazione in Python.

La prima parte dell'insegnamento sarà costituita da una serie di lezioni introduttive:

Modulo Python: 12 ore di lezione su calcolo scientifico e analisi dati;
Moduli Telescopio ottico e Radiotelescopio: 10-15 ore circa di lezione introduttive alle osservazioni ed alle attività del laboratorio.

Dopo le lezioni introduttive inizieranno le attività di laboratorio, suddivise in due moduli.

Modulo Telescopio ottico;
Modulo Radiotelescopio:

Gli studenti saranno divisi in gruppi; ciascun gruppo sarà formato da 3 studenti. Ogni gruppo farà attività sia con il Telescopio Ottico sia con il Radiotelescopio. L'impegno totale è di circa 42 ore per ogni modulo. I due moduli saranno seguiti in parallelo in giorni diversi della settimana.

Modulo di programmazione:
Introduzione a Python ed all’uso di Jupyter Notebooks per il calcolo scientifico e l’analisi dei dati. Introduzione con esempi ed esercizi alle librerie:

Numpy (calcolo numerico)
Matplotlib (creazione figure, plot, animazioni)
Simpy (calcolo simbolico)
Scipy (calcolo scientifico)
Astropy (applicazioni astronomiche)
Questo modulo si terrà all'inizio del corso ed ha l'obiettivo di fornire conoscenze di base utili per l'uso di python nelle attività di laboratorio ed anche, più in generale, in altre applicazioni in ambito scientifico.

Modulo Telescopio ottico:

L'obiettivo di questo modulo è imparare le tecniche di acquisizione e analisi di immagini fotometriche in filtri per lo studio della morfologia, distribuzione e luminosità di regioni di formazione stellare in galassie.

In particolare, comprenderemo i principi di funzionamento di una camera per immagini, le tecniche di analisi di immagini di telescopi ottici e le tecniche di caratterizzazione della morfologia, distribuzione e luminosità di sorgenti.

Queste tecniche verranno applicate allo studio di galassie, per conoscere e caratterizzare la morfologia di galassie nell’universo locale, conoscere la fisica dell’emissione di regioni di formazione stellare, conoscere le principali tecniche di misura del tasso di formazione stellare in galassie.

Modulo Radiotelescopio:
Ad ogni gruppo verrà proposto un programma di osservazioni ed un obiettivo. Ciascun gruppo effettuerà osservazioni di sorgenti celesti, in particolare di regioni galattiche che contengono nubi di idrogeno atomico, nella banda di 1.4 GHz. Le osservazioni saranno di tipo spettroscopico e consentiranno di ricoloscere l'emissione dell'Idrogeno atomico.
Gli obiettivi formativi saranno imparare a:

Effettuare osservazioni col telescopio
Analizzare i dati acquisiti
Calibrare il segnale con sorgenti note
Pertanto ciascun gruppo gestirà un programma osservativo con il radiotelescopio e analizzerà i dati raccolti. I risultati verranno descritti in una breve relazione, che sarà discussa all'esame.
Gli obiettivi specifici saranno:
Studio della dinamica delle regioni osservate
Studio della velocità di rotazione del disco

Lezioni introduttive:
Vengono descritte alcune delle sorgenti astronomiche da osservare e le osservabili astrofisiche. Vengono inoltre introdotte le tecniche e la strumentazione utilizzate nelle osservazioni del laboratorio.

Prerequisiti

Gli studenti sono tenuti a conoscere i contenuti dei corsi di fisica generale e dei laboratori seguiti negli anni precedenti.

Modalità didattica

1) Lezioni frontali introduttive, incluso il modulo python: 20-24 ore. Le lezioni saranno erogate esclusivamente in presenza.
2) Esperienze in laboratorio, in totale per i due moduli: 72-76 ore. La presenza in laboratorio è obligatoria.

Materiale didattico

1) Materiale ed appunti utilizzati durante le lezioni frontali, fornite dai docenti.

2) Codici e pacchetti software per l’uso della strumentazione e per l’analisi dei dati raccolti.

Periodo di erogazione dell'insegnamento

Secondo semestre.

Modalità di verifica del profitto e valutazione

La valutazione finale sarà con voto in trentesimi e comprenderà:

1) Relazione scritta che descriva il lavoro svolto in laboratorio, comprendente le misure effettuate e l’analisi dei dati; una relazione per gruppo comprendente entrambi i moduli.

2) Colloquio orale finale, riguardante il lavoro svolto in laboratorio e discussione della relazione presentata.

Orario di ricevimento

Su appuntamento con i diversi docenti.

Sustainable Development Goals

ISTRUZIONE DI QUALITÁ | IMPRESE, INNOVAZIONE E INFRASTRUTTURE

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Aims

Introduce instrumentation and techniques for Astrophysics observations;
Allow students to get the first experience in observation of astronomical sources and signal calibration;
Perform data analysis on observation and learn how to derive physical variables.

The course is divided into two laboratory modules plus a series of lessons on Python programming. The two laboratory modules will be preceded by a few hours of introductory lessons to the laboratory activity.

The first module concerns the analysis of photometric images with the Bicocca Optical Telescope (TOBI) on star formation regions in galaxies.
The second module concerns the spectroscopic observation and analysis of data acquired with the Radio Telescope in the 1.4 GHz band on galactic regions containing atomic hydrogen clouds.
The programming module covers an introduction to Python and the use of Jupyter Notebooks for scientific computing and data analysis.

Detailed program

The course is divided into two laboratory modules plus a series of lectures on Python programming.

The first part of the teaching will consist of a series of introductory lectures:

Python module: 12 hours on scientific computing and data analysis;
Optical telescope and Radio telescope modules: approximately 10-15 hours of introduction to the observations and laboratory activities.

Laboratory activities will be divided into two modules.

Optical Telescope Module;
Radio telescope module.

Students will work in groups; each group consisting of 3 students. Each group will work with both the Optical Telescope and the Radio Telescope. The total commitment is approximately 42 hours for each module. The two modules will be followed in parallel on different days of the week.

Programming module:
Introduction to Python and the use of Jupyter Notebooks for scientific computing and data analysis. Introduction with examples and exercises to the libraries:

Numpy (numeric calculation)
Matplotlib (create figures, plots, animations)
Simpy (symbolic calculation)
Scipy (scientific calculation)
Astropy (astronomical applications)
This module will be held at the beginning of the course and aims to provide basic knowledge useful for the use of python in laboratory activities and also, more generally, in other scientific applications.

Optical Telescope Module:

The objective of this module is to learn the techniques of acquisition and analysis of photometric images in filters for the study of the morphology, distribution and brightness of star-forming regions in galaxies.

In particular, we will understand the principles of operation of an imaging camera, the techniques of analysis of optical telescope images and the techniques of characterization of the morphology, distribution and brightness of sources.

These techniques will be applied to the study of galaxies, to know and characterize the morphology of galaxies in the local universe, to know the physics of the emission of star-forming regions, to know the main techniques for measuring the star formation rate in galaxies.

Radio telescope module:
Each group will be proposed a program of observations and a goal. Each group will carry out observations of celestial sources, in the 1.4 GHz band, in particular of galactic regions containing atomic hydrogen clouds. The observations will be spectroscopic and will allow to recognize the emission of atomic hydrogen.
The educational objectives will be to learn to:

Make observations with the telescope
Analyze the acquired data
Calibrate the signal with known sources
Therefore each group will manage an observing program with the radio telescope and will analyze the collected data. The results will be described in a short report, which will be discussed at the exam.
The specific objectives will be:
Study of the dynamics of the observed regions
Study of the rotational speed of the disc

Introductory lessons:
Some of the astronomical sources to be observed and the astrophysical observables are described. The techniques and instrumentation used in laboratory observations are also introduced.