Course Syllabus
Obiettivi
Acquisire conoscenze di base e una comprensione approfondita dei principali temi della Cosmologia Moderna e della Formazione delle Galassie nell'Universo primordiale. Costruire una solida base a livello di Master per affrontare la ricerca teorica attuale e le attività osservative nel settore. Migliorare le competenze pratiche di ricerca, inclusa la capacità di formulare domande e ipotesi e di sviluppare strategie efficaci per testarle.
Contenuti sintetici
Il campo della formazione delle galassie, un'area di studio in rapida espansione, si colloca all'incrocio tra astronomia, fisica delle particelle e cosmologia. Questo corso integra argomenti diversi provenienti da queste discipline, che collettivamente costituiscono la base della nostra comprensione di come si formano ed evolvono le strutture cosmiche. I temi principali includono l'evoluzione dell'Universo e del suo contenuto di particelle e radiazione, le proprietà statistiche delle strutture cosmiche su larga scala, la crescita lineare e non lineare degli aloni di materia oscura, l'interazione dei processi che influenzano le componenti gassose e di materia oscura di galassie e ammassi, e la termodinamica e la chimica dei barioni cosmici. Descrivendo ricerche osservative e studi teorici, il corso offre agli studenti di astrofisica un'introduzione completa alla scienza che sta alla base della formazione e dell'evoluzione delle galassie. Nuovi strumenti e telescopi a terra e nello spazio, in costruzione nel prossimo decennio, promettono scoperte rivoluzionarie sulle galassie primordiali, sull' evoluzione temporale e sul bilancio energetico della reionizzazione cosmica, nonché sulla fisica e sulle proprietà del gas intergalattico all’interno della “ragnatela cosmica”.
Programma esteso
Universi Omogenei e Uniformi
Luminosità Superficiale e Radiazione di Fondo Extragalattica
Dinamica Cosmica
Strumenti Osservativi in Cosmologia
Distanze ed Orizzonti in Cosmologia
Storia Termica e Ricombinazione
Equazione di Boltzmann e Abbondanza Residua
Materia Oscura
MACHOs e WIMPs
Simulazioni N-Body
Campi Gaussiani e Funzione di Correlazione
Instabilità Gravitazionale
Massa di Jeans e Oscillazioni Acustiche Barioniche
Evoluzione Non Lineare e Formazione degli Aloni di Materia Oscura
Proprietà e Abbondanza degli Aloni di Materia Oscura
La Fine dell' Era Oscura
Cosmologia a 21 cm
Equazione di Kompaneets ed Effetto Sunyaev-Zeldovich
Storia della Formazione Stellare Cosmica
Reionizzazione Cosmica di Idrogeno ed Elio
Risultati Iniziali dal James Webb Space Telescope
Prerequisiti
Matematica e Fisica per studenti del corso di laurea triennale. Conoscenze di base di elettromagnetismo, gravitazione, relatività, fisica delle particelle e atomica, fisica statistica e termodinamica. È utile (ma non obbligatorio, in quanto il corso è in gran parte auto-consistente) seguire questo corso dopo i corsi del primo semestre del Master in Astrofisica e Fisica dello Spazio.
Modalità didattica
Le lezioni (6 CFU, 42 ore frontali) si terranno in inglese. Durante le lezioni il docente proporrà domande e problemi (non valutati) da risolvere in gruppo, in modo da spingere gli studenti a partecipare attivamente alla lezione. Tutto il materiale sarà reso disponibile online, ma la frequenza alle lezioni e la partecipazione attiva sono parte integrante del processo di insegnamento-apprendimento.
Materiale didattico
Non c'è un libro di testo ufficiale per questo corso. Troverete la maggior parte degli argomenti che tratteremo in questi libri:
Peebles, Principles of Physical Cosmology. ISBN: 0691019339
Longair, Galaxy Formation. ISBN: 978-3-540-73477-2
Mo, van den Bosch e White, Galaxy Formation and Evolution. ISBN: 9780511727726
Padmanabhan, Theoretical Astrophysics Volume III. ISBN: 0521566304
Le note del docente saranno rese disponibili sulla pagina e-learning del corso.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo Semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame finale consisterà in una discussione orale incentrata sui temi trattati nel corso. Avrà una durata di circa 40 minuti e sarà composto da due parti. Nella prima parte, il candidato presenterà un'esposizione di circa 20 minuti su un argomento selezionato, relativo alla cosmologia o alla formazione delle galassie, concordato in anticipo con il docente. La presentazione prevede l'utilizzo della lavagna.
La seconda parte includerà domande e discussioni volte a valutare la comprensione qualitativa e quantitativa da parte degli studenti dei concetti chiave affrontati nel corso e la loro capacità di effettuare derivazioni analitiche.
L'esame orale si svolgerà in inglese.
Orario di ricevimento
Per appuntamento (via email).
Aims
Gain foundational knowledge and a comprehensive understanding of major topics in Modern Cosmology and Galaxy Formation in the early Universe. Establish a strong Master-level basis for engaging with current theoretical research and observational efforts in the field. Enhance practical research skills, including the ability to formulate meaningful questions and hypotheses, and develop effective strategies for testing them.
Contents
The field of galaxy formation, a rapidly growing area of study, sits at the crossroads of astronomy, particle physics, and cosmology. This course integrates diverse topics from these disciplines, which collectively underpin our understanding of how cosmic structures form and evolve. Key subjects include the evolution of the Universe and its particle and radiation content, the statistical properties of large-scale cosmic structures, the linear and nonlinear growth of dark matter halos, the interplay of processes affecting the gaseous and dark matter components of galaxies and clusters, and the thermodynamics and chemistry of cosmic baryons. By balancing observational and theoretical perspectives, the course offers astrophysics students a comprehensive introduction to the science behind galaxy formation and evolution. Furthermore, new ground- and space-based instruments and facilities set to emerge over the next decade promise transformative insights into primeval galaxies, the timeline and photon budget of reionization, and the physics and fine-grained properties of the gas within the "cosmic web."
Detailed program
Smooth Homogeneous Universes
Surface Brightness and Extragalactic Background Light
Cosmic Dynamics
Observational Tools in Cosmology
Distances and Horizons in Cosmology
Thermal History and Recombination
Collisional Boltzmann Equation and Relic Abundance
Dark Matter
MACHOs and WIMPs
N-Body Simulations
Gaussian Random Fields and Correlation Function
Gravitational Instability
Jeans Mass and Baryomic Acoustic Oscillations
Non-Linear Evolution and the Formation of Dark Matter Halos
Properties and Abundance of Dark Matter Halos
End of the Dark Ages
21-cm Cosmology
Kompaneets Equation and Sunyaev-Zeldovich Effect
Cosmic Star Formation History
Cosmic Reionization of Hydrogen and Helium
Early Results from the James Webb Space Telescope
Prerequisites
Mathematics and Physics for students of the bachelor's degree. Basic knowledge of electromagnetism, gravitation, relativity, particle and atomic physics, statistical physics and thermodynamics. It is useful (but not required, as the course is largely self-contained) to take this class after the first-semester courses of the Astrophysics and Space Physics Master.
Teaching form
The lectures (6 CFU, 42 contact hours) will be held in English. During the lectures, the instructor will propose questions and problems (not graded) to be solved in groups, in order to encourage students to actively participate in class. All materials will be made available online, but attendance and active participation are integral parts of the teaching-learning process.
Textbook and teaching resource
There is no official textbook for this course. However, you will find most of the topics we cover in these books:
Peebles, Peebles Principles of Physical Cosmology. ISBN: 0691019339
Longair, Galaxy Formation. ISBN: 978-3-540-73477-2
Mo, van den Bosch, & White, Galaxy Formation and Evolution. ISBN: 9780511727726
Padmanabhan, Theoretical Astrophysics Volume III. ISBN:0521566304
The instructors notes will be made available on the e-learning page of the course.
Semester
Second Semester.
Assessment method
The final exam will take the form of an oral discussion focused on the concepts and practices covered in the course. It will last approximately 40 minutes and consists of two parts. In the first part, the candidate will deliver a 20 minute presentation on a selected topic related to cosmology or galaxy formation, agreed upon in advance with the instructor. The presentation will involve the use of the blackboard. The second part will include questions and discussions designed to assess the students' qualitative and quantitative understanding of the key concepts taught in the course and their ability to perform analytical derivations.
The oral exam will be conducted in English.
Office hours
By appointment (via email).
Key information
Staff
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Piergiovanni Madau