Syllabus del corso
Obiettivi
Gli obiettivi formativi del corso riguardano sia aspetti di conoscenza di base dell'astrofisica (DdD 1) sia lo sviluppo di competenze di base per la ricerca scientifica (DdD 2) e sia competenze trasversali (DdD 3, 4, 5). In particolare, attraverso questo corso di laboratorio gli studenti impareranno:
- Il funzionamento della strumentazione e le tecniche osservative di base dell’astrofisica (DdD 1);
- Condurre osservazioni su sorgenti astronomiche ed effettuare la calibrazione dei segnali osservati (DdD 1, 2);
- Effettuare l'analisi delle osservazioni e determinare le osservabili fisiche associate alle sorgenti astronomiche (DdD 1, 2);
- Scrivere codici di analisi scientifica in Python (DdD 2).
Per quanto riguarda le competenze trasversali (DdD 3, 4, 5) gli studenti impareranno a:
i) porre e raffinare domande scientifiche, ii) identificare le variabili rilevanti nei problemi fisici , iii) proporre ipotesi testabili, iv) fare assunzioni, v) ridurre problemi complessi in unità più piccole, vi) condividere e comunicare i risultati, vii) scrivere un report scientifico.
Contenuti sintetici
L'insegnamento è diviso in due moduli di laboratorio più una serie di lezioni sulla programmazione in Python. Queste ultime sono parte integrante del laboratorio. 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 nell'ottico di galassie spazialmente risolte ottenute con il Telescopio Bicocca e cataloghi di galassie ottenuti da surveys professionali.
- Il secondo modulo riguarda l'osservazione spettroscopica e l'analisi dei dati acquisiti con il Radiotelescopio nella banda di 1.4 GHz 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:
a. Modulo Python: 12 ore di lezione su calcolo scientifico e analisi dati;
b. 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 Programazione:
Questo modulo introduttivo si propone di fornire le competenze di base nell'utilizzo del linguaggio Python per l'analisi di dati astronomici. L'obiettivo è dotare agli studenti degli strumenti necessari per affrontare le attività di laboratorio e, più in generale, le applicazioni in ambito scientifico che richiedono l'elaborazione di dati. Durante il modulo, verranno trattati i seguenti argomenti, con esempi ed esercizi pratici:
- Programmazione di base in Python per il calcolo scientifico: Approfondiremo l'utilizzo di librerie fondamentali come NumPy per il calcolo numerico, Matplotlib per la creazione di figure, grafici e animazioni, e Pandas per la lettura e la gestione efficiente di tabelle.
- Metodi statistici per l'analisi di dati di conteggio: Presteremo particolare attenzione alla distribuzione di Poisson e alla stima delle incertezze nei conteggi, elementi cruciali nell'analisi dei dati astronomici.
- Gestione e visualizzazione di dati astronomici tabellari: Lavoraremo con dati provenienti da cataloghi reali (formati CSV e TSV), con esempi specifici relativi ai moduli del telescopio ottico e del radiotelescopio. I codici svulpati saranno utili per affrontare i moduli del telescopio ottico e del radiotelescopio.
- Utilizzo di unità fisiche e trasformazioni tra sistemi di coordinate astronomiche: Esploreremo le funzionalità della libreria Astropy per la gestione delle unità e la conversione tra diversi sistemi di coordinate astronomiche.
- Introduzione al formato FITS (Flexible Image Transport System): Impararemo le tecniche per leggere, modificare e scrivere file FITS, sia che contengano immagini che tabelle.
- Tecniche base di analisi di immagini astronomiche: Vedremo come applicare metodi come la sovrapposizione di immagini per migliorare il rapporto segnale/rumore, sfruttando i concetti appresi sull’incerteza in un processo di Poisson applicato al conteggio di fotoni.
Questo modulo si terrà all'inizio del corso, fornendo una base solida per affrontare con successo le successive attività pratiche, ed anche, più in generale, in altre applicazioni in ambito scientifico.
- Modulo Telescopio ottico:
Gli obiettivi formativi di questo modulo includono sia componenti di acquisizione di conoscenze (Descrittori di Dublino 1-2) sia di sviluppo di competenze (Descrittori di Dublino 3-5). In particolare, attraverso l'uso di dati fotometrici ottenuti dal Telescopio Bicocca e da survey pubbliche, gli studenti impareranno:
- Come classificare la morfologia delle galassie in termini del loro profilo di luce
- Come collegare le proprietà morfologiche delle galassie (dimensione, profilo di luce) alle proprietà fisiche della componente stellare delle galassie (massa, età, tasso di formazione stellare) e di altre possibili componenti in modo da studiare i possibili percorsi evolutivi delle galassie e il loro equilibrio dinamico.
Gli obiettivi formativi in termini di competenze o pratica scientifica (Descrittore di Dublino 2), incluse le competenze trasversali (Descrittori di Dublino 3-5), includono:
-
imparare come combinare dati osservativi e modelli teorici per formulare domande significative e ipotesi sulla formazione delle galassie, assieme a strategie per poterle testare.
-
imparare e/o consolidare le capacità fondamentali nella pratica della ricerca scientifica, tra le quali: i) porre e raffinare domande scientifiche, ii) identificare le variabili rilevanti nei problemi fisici , iii) proporre ipotesi testabili, iv) fare assunzioni, v) ridurre problemi complessi in unità più piccole, vi) condividere e comunicare i risultati .
- Modulo Radiotelescopio:
Gli obiettivi formativi di questo modulo includono sia componenti di acquisizione di conoscenze (Descrittori di Dublino 1-2) sia di sviluppo di competenze (Descrittori di Dublino 3-5).
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.
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 formativi in termini di competenze o pratica scientifica (Descrittore di Dublino 2), incluse le competenze trasversali (Descrittori di Dublino 3-5), saranno orientati ad imparare a:
- Effettuare osservazioni col telescopio
- Analizzare i dati acquisiti
- Calibrare il segnale con sorgenti note
- Descrivere il lavoro fatto ed i risultati ottenuti in una relazione
Gli obiettivi scientifici specifici potranno includere i seguenti argomenti:
- 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 degli insegnamenti di fisica generale e dei laboratori seguiti negli anni precedenti.
Modalità didattica
La modalità didattica sarà mista e comprenderà sia lezioni svolte in modalità erogativa che esercitazioni svolte in modalità interattiva.
Le lezioni saranno erogate esclusivamente in presenza. Per le attività di laboratorio, incluso il modulo Python, la presenza è obligatoria.
1) Modulo di programmazione: Lezioni da 2-3 ore svolte in modalità erogativa in presenza;
2) Moduli di laboratorio: attività di laboratorio da 3-4 ore svolte in modalità interattiva in presenza; è prevista una parte introduttiva in modalità erogativa che riguarderà le prime settimane di attività. Si consiglia agli studenti di portare un laptop.
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: approssimativamente da fine Febbraio a inizio Giugno.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La valutazione finale sarà con voto in trentesimi e comprenderà:
1) Modulo Telescopio ottico: Presentazione dell'attività svolta e dei risultati ottenuti; Modulo Radiotelescopio: Relazione scritta che descriva il lavoro svolto in laboratorio, comprendente le misure effettuate e l’analisi dei dati.
2) Colloquio orale finale: relativo alla discussione della presentazione e della relazione preparate da ciascun gruppo.
All'interno di ogni gruppo, oltre all'attività svolta, sarà valutata la maturità dello studente, la padronanza degli argomenti trattati, la chiarezza e proprietà nel linguaggio, la capacità critica.
Orario di ricevimento
Su appuntamento con i diversi docenti.
Sustainable Development Goals
Aims
The course learning outcomes include both fundamental knowledge of basic astrophysical concepts (Dublin Descriptor 1), the development of scientific research skills (Dublin Descriptor 2) and transversal skills (Dublin Descriptors 3, 4, 5). In particular, through this course, the students will learn:
- Basic instrumentation and techniques for Astrophysical observations (Dublin Descriptor 1);
- How to conduct observations of astronomical sources and signal calibration (Dublin Descriptors 1, 2);
- How to perform data analysis and learn how to derive physical variables associated with astronomical sources (Dublin Descriptors 1, 2).
- Writing scientific analysis codes in Python (Dublin Descriptor 2)
Regarding transversal skills (Dublin Descriptors 3, 4, 5), students will learn to:
i) ask and refine scientific questions, ii) identify relevant variables in physical problems , iii) propose testable hypotheses, iv) make assumptions, v) reduce complex problems into smaller units, vi) share and communicate results, and vii) write a scientific report.
Contents
The course is divided into two laboratory modules plus a series of lessons on Python programming, which are an integral part of the laboratory. The two laboratory modules will be preceded by introductory lessons to the laboratory activity.
- The first module concerns the analysis of photometric images in the optical band of spatially resolved galaxies obtained with the Telescopio Bicocca and public professional surveys.
- 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:
a. Python module: 12 hours on scientific computing and data analysis;
b. 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:
This introductory module aims to provide basic skills in using the Python language for the analysis of astronomical data. The goal is to equip students with the necessary tools to carry out laboratory activities and, more generally, applications in the scientific field that require data processing. During the module, the following topics will be covered, with examples and hands-on exercises: -
Basic Python programming for scientific computing: We will revise the use of fundamental libraries such as NumPy for numerical calculations, Matplotlib for creating figures, graphs, and animations, and Pandas for efficiently reading and managing tables.
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Statistical methods for the analysis of count data: Special attention will be given to the Poisson distribution and the estimation of uncertainties in counts, crucial elements in the analysis of astronomical data.
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Management and visualization of tabular astronomical data: We will work with data from real catalogs (CSV and TSV formats), with specific examples related to optical telescope and radio telescope modules. The developed codes will be useful for dealing with the optical telescope and radio telescope modules.
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Use of physical units and transformations between astronomical coordinate systems: We will explore the functionalities of the Astropy library for handling units and converting between different astronomical coordinate systems.
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Introduction to the FITS format (Flexible Image Transport System): We will learn techniques for reading, modifying, and writing FITS files, whether they contain images or tables.
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Basic techniques for astronomical image analysis: We will see how to apply methods such as image stacking to improve the signal-to-noise ratio, leveraging the concepts learned about uncertainty in a Poisson process applied to photon counting.
This module will be held at the beginning of the course, providing a solid foundation to successfully tackle subsequent lab activities and, more generally, other applications in the scientific field.
- Optical Telescope Module:
The learning outcomes of this module include both fundamental knowledge (Dublin Descriptors 1-2) and the development of basic and transver skills (Dublin Descriptors 3-5). In particular, through the usage of photometric data obtained with the Telescopio Bicocca and public surveys, the students will learn:
- how to classify galaxy morphologies in terms of their light distribution profiles
- how to relate galaxy morphological properties (size, light distribution profile) to the galaxy stellar properties (stellar mass, age, star formation rate) and to other possible components in order to infer the evolutionary paths for galaxy formation and their dynamical equilibrium.
Learning outcomes in terms of scientif skills and transverse skills (practice; Dublin descriptors 3-5), include:
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The students will learn how to combine the observational data and theoretical models to formulate meaningful questions and hypotheses galaxy formation, as well as strategies to test them.
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Through this course, the students will learn/consolidate the fundamental skills in scientific research practice including: i) asking and refining scientific questions, ii) finding relevant variables in physical problems, iii) making testable predictions, iv) making relevant assumptions, v) reducing complex problems in smaller units, vi) effectively sharing and communicating the results.
- Radio telescope module:
The learning outcomes of this module include both fundamental knowledge (Dublin Descriptors 1-2) and the development of basic and transver skills (Dublin Descriptors 3-5).
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.
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.
Learning outcomes in terms of scientif skills and transverse skills (practice; Dublin descriptors 3-5), are addressed to learn to:
- Make observations with the telescope
- Analyze the acquired data
- Calibrate the signal with known sources
- Describe in a short report activity carried out and results
The specific scientific objectives could include the following topics:
- 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.
Prerequisites
Students are requested to know the content of courses of Physics and Laboratories followed in the previous years.
Teaching form
The teaching method will be mixed and will include both lessons carried out in frontal mode and exercises carried out in interactive mode.
Lessons will be held exclusively in person. For laboratory activities, including the Programming Module, presence is mandatory.
1) Programming module: Lessons of 2-3 hours carried out in presence mode;
2) Laboratory modules: 3-4-hour laboratory activities carried out in interactive mode in person; There is an introductory part in delivery mode which will cover the first weeks of activity. We recommend students to bring a laptop.
Textbook and teaching resource
1) Slides and notes of the introductory lectures, provided by the lecturers.
2) Software codes and packages for driving instruments and data analysis.
Semester
Second semester: approximatively from end of February till the beginning of June.
Assessment method
Final assessment with the usual score up to 30, including:
1) Optical Telescope Module: Presentation of the activity carried out and the results obtained; Radio Telescope Module: Written report describing the work carried out in the laboratory, including the measurements taken and the data analysis.
2) Final oral exam: related to the discussion of the presentation and report prepared by each group.
Within each group, in addition to the activity carried out, the student's maturity, mastery of the topics covered, clarity and propriety in language, and critical ability will be evaluated.
Office hours
On request to the various teachers.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Massimo Gervasi
-
Alejandro Benitez Llambay
-
Matteo Bonetti
-
Sebastiano Cantalupo
-
Mario Zannoni
