- Science
- Master Degree
- Astrophysics and Space Physics [F5803Q - F5802Q]
- Courses
- A.Y. 2025-2026
- 1st year
- Stellar Astrophysics
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi
Questo corso fornisce un’introduzione alla fisica stellare, esplorando la formazione, l’evoluzione e gli stadi finali delle stelle. L’astrofisica stellare costituisce una componente fondamentale dell’astronomia moderna, offrendo strumenti essenziali per comprendere le proprietà delle galassie nel contesto cosmologico e per analizzare il ruolo dei processi stellari nell’arricchimento chimico e nella storia della formazione stellare dell’Universo.
L'acquisizione di conoscenza, capacità di comprensione e competenze in questo campo segue gli Indicatori di Dublino:
Conoscenza e capacità di comprensione (DdD1)
- conoscenza e comprensione degli equilibri stellar dato uno stato microfisico della materia grazie allo sviluppo di modelli;
- conoscenza e comprensione del ruolo della radiazione e della fisica nucleare nelle stelle;
- conocenza e comprensione degli equilibri stellari e del collasso gravitazionale;
- conocenza e comprensione della formazione stellare a livello di base.
Applicazione della conoscenza (DdD2)
- abilità di usare osservazioni astrofisiche al fine di costruire modelli da validare e vicolare utilizzando la meccanica classica e quantistica.
- applicazione del metodo scientifico alla fisica stellare utilizzando principalmente strumenti anaitici
**Autonomia di giudizio (DdD3) **
- analisi di problemi aperti utillizzando competenze trasversali.
Abilità nella comunicazione (DdD4)
- gli studenti saranno invitati a presentare e riassumere ai propri colleghi i concetti chiave dell'astrofisica stellare. Inoltre, l’argomento d’esame favorisce lo sviluppo di competenze comunicative con profondità e rigore.
Contenuti sintetici
- Le principali aree di studio dell'astrofisica stellare includono:
Struttura stellare: studio delle proprietà interne delle stelle - ruolo della gravità, termodinamica, meccanica quantistica e radiazione nel modellare le loro proprietà di equilibrio.
Evoluzione stellare: comprendere come le stelle cambiano nel tempo, ripercorrendo tutti gli stadi evolutivi fino alla formazione di nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri, in base alla massa stellare iniziale; comprendere l'arrichimento dei metalli nel mezzo interstellare e l'origine degli elementi.
Formazione stellare: studio del processo di collasso e frammentazione di nubi interstellari e formazione di ammassi stellari; ruolo della metallicità sulla funzione di massa.
Stelle in sistemi binari: studio della evoluzione stellare in sistemi binari e loro rivelabilità come sorgenti elettromagnetiche e gravitazionali.
Programma esteso
I. CONCETTI DI BASE
- Diagramma Hertzprung-Russell
- Equilibrio stellare, teroma del viriale, tempi-scala
- Processi radiativi: emissione di corpo nero, opacità nell’interno stellare, trasporto radiativo e convettivo
- Gas classici e quantistici
- Reazioni nucleari: energia di Gamov, combustione degli elementi e formazione dei metalli
- Stellar stability
II. STELLE: SEQUENZA PRINCIPALE
- Relazioni di scala
- Funzione di Massa (IMF)
- Massa Minima e Massima delle stelle
III. EVOLUZIONE STELLARE
- Il ruolo della gravità e della microfisica nell'evoluzione stellare
- Stelle degeneri: Massa di Chandrasekhar
- Stelle in evoluzione nel diagramma Hertzprung-Russell
- Giganti rosse, Branca orizzontale, AGB
- Stadi evolutivi in contesto avanzato (*)
- Supernovae (*)
- Feedback stellare (*)
- Collasso gravitazionale: fisica del neutrino e deleptonizzazione (*)
- Nane Bianche, Stelle di Neutroni e Buchi Neri - funzione di massa
- Raffreddamento delle nane bianche (*)
- Stellar evolution in binary systems (*)
IV. FORMAZIONE STELLARE
- Raffreddamento del gas protostellare
- Formazione stellare: Massa di Jeans, protostelle, traccia di Hayashi
- Stelle di III popolazione (*)
- Formazione stellare in ammassi (*)
L'asterisco indica una serie di argomenti avanzati che lo studente può esplorare in maggior dettaglio e presentare a completamento dell'esame di profitto.
Prerequisiti
Laurea Triennale in Fisica o Astronomia
Conoscenze in:
Analisi Matematica
Meccanica classica
Elettromagnetismo
Struttura della Materia
Meccanica Quantistica
Modalità didattica
Totale ore erogate 60 in modalità di Didattica Erogativa - Totale CFU 8
Tipologia:
42 ore di lezioni frontali, prevalentemente alla lavagna e occasionalmente col supporto di diapositive (6 crediti)
18 ore di esercitazioni e attività di supporto (2 crediti).
Non è prevista attività erogativa da remoto sincorna.
Le lezioni si svologono in lingua inglese.
Le registazioni delle lezioni condotte in anni precedenti sono rese disponibili per venire incontro alle esigenze di studenti con problemi di frequentazione.
Materiale didattico
Libri:
Notebook, "Stellar Astrophysiscs" by Chiesa con supervione di Colpi
Prialnik, “Stellar structure and evolution” - testo di riferimento del corso
Chiesa, "Stellar astrophyics" - compendio completo del corso
Phillips, “The Physics of Stars” - testo con ampia descrizione dei processi nucleari di fusione
Kippenhahn and Weigert, “Stellar structure and evolution” - testo avanzato importante per comprendere l'evoluzione stellare e la formazione stellare
Stahler and Palla, “The formation of stars” - testo avanzato
Armitage, "Astrophysics of planet formation" - testo di riferimento
Shapiro and Teukolsky, “Black holes, white dwrafs and neutron stars” - testo fondamentale per comprendere le proprietà degli oggetti collassati
Materiale didattico distribuito durante in corso.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame finale è orale e copre tutti gli argomenti presentati e discussi in classe. Non sono previste esaminazioni intermedie.
L'esame di aritcola in tre parti:
Conoscenza generale
- verifica della compresione dei concetti fondamentali sugli equilibri stellari e formazione ed evoluzione stellare.
Comprensione
- verifica dettagliata delle conoscenze dei processi fisici in ambito stellare e loro modellizzazione, descritte con rigore e dettaglio.
Argomento a scelta da parte dello studente
- presentazione di una tematica a scelta in forma di relazione su computer e su fogli illustrativi (10 minuti).
La valutazione di basa su tre criteri:
- **Profondità nella comporensione **
☐ Dimostrare una comprensione approfondita dell’argomento.
☐ Mostra la capacità di collegare concetti e applicare le conoscenze nel contesto.
- Capacità analitiche
☐ Eseguire correttamente derivazioni analitiche, quando appropriato e richiesto.
☐ Formulare domande pertinenti, stimolanti e ben argomentate.
☐ Affrontare il materiale in modo critico.
- Chiarezza e sintesi nell’esposizione
☐ Esporre le idee in modo chiaro e con una struttura logica.
☐ Utilizzare un linguaggio preciso e, se del caso, supporti visivi adeguati.
Orario di ricevimento
Su appuntamento via email
Sustainable Development Goals
Aims
Stellar astrophysics is the branch of astronomy that focuses on understanding stars, their formation, structure, evolution, and eventual fate. It helps us learn how stars are born from clouds of gas and dust, how they produce energy through nuclear fusion, how they shine and change over time, and how they die - like becoming white dwarfs, neutron stars, or black holes. Stellar astrophysics is for understanding the fundamental building blocks of galaxies and of the universe as a whole.
The acquisition of knowledge, comprehension and competence in this field is guided by the Dublin Descriptors:
Knowledge and understanding (DdD1)
- knowledge and comprehension through modelling of stellar equilibria given a microphysical state of matter;
- knowledge and comprehension of the role of radiation and nuclear reactions in stars;
- knowledge and comprehension of stellar stability and gravitational collapse;
- knowledge and comprehension of star formation in its foundations.
Applying knowledge and understanding (DdD2)
- ability to use astrophysical observations to construct models and to test and constrain stellar properties using classical and quantum mechanics;
- ability to analytically derive stellar properties from birth to death using basic principles, and to acquire the competencies necessary to apply stellar physics in the context of galaxy formation and evolution;
- students will use their computers to create key diagrams illustrating the evolution of stars.
Making judgements (DdD3)
- analysis of open problem and development of critical understanding.
Communication skills (DdD4)
- students will be invited to present and summarize key concepts of stellar astrophysics to their peers. Additionally, the examination topic supports the development of communication skills with both depth and rigor.
Contents
Key areas of study within stellar astrophysics include:
Stellar Structure: studying the internal layers of stars and the role of gravity, thermodynamics, quantum mechanics and radiation in shaping their equilibrium properties.
Stellar Evolution: understanding how stars change over time and evolve into their eventual fate, such as becoming white dwarfs, neutron stars, or black holes; exploring the origin of the chemical elements and metal enrichment.
Star's Formation: investigating how interstellar gas clouds cool down, collapse and fragment into stellar clusters; the role of metallicity in shaping the stellar initial mass function.
Stars in binary systems: investigating stellar evolution when stars pair in binaries.and their detectability as electromagnetic and gravitational wave sources.
Detailed program
I. BASIC CONCEPT
- Hertzprung-Russell Diagram
- Stellar equilibria and stability, virial theorem, stellar timescales
- Light from stars: black body radiation, opacity and radiative/convective transport
- Classical and quantum gases
- Nuclear reactions: Gamov’s energy, synthesis of the heavy elements
- Stability
II. STARS ON THE MAIN SEQUENCE
- Scaling relations
- The Initial Mass Function (IMF)
- Maximum and Minimum mass of stars and mass funciton
III. STELLAR EVOLUTION
- The role of gravity and microphysics in driving stellar evolution
- Degenerate stars: the Chandrasekhar Mass limit
- Evolving stars in the Hertzprung-Russell diagam
- Red giants, Horizonthal Branch, AGB
- Advanced reading in stellar evolution (*)
- Supernovae (*)
- Stellar Feedback (*)
- Gravitational collapse: neutrino emission and deleptonisation (*)
- White dwarfs, neutron stars and black holes - mass function
- Cooling of white dwrafs (*)
- Stellar evolution in binary systems (*)
IV. STAR FORMATION
- Gas cooling
- Star formation: Jean’s Mass, protostars and the Hayashi track
- Population III stars (*)
- Planet formation (*)
The asterisk indicates advanced topics that students choose to explore the material in greater depth. These can serve as potential themes for the topic selected by the student during the oral examination.
Prerequisites
Undergraduate Degree in Physics or Astronomy.
In more detail, knowledge is requested in:
Calculus
Classical Mechanics
Electromagnetism
Structure of matter
Quantum Mechanics
Teaching form
Total hours in teaching delivery mode 60 - CFU 8
42 hours of frontal lectures, mostly at the blackboard, occasionally with the support of slides (6 CFU)
16 hours of supporting activities and exercises (2 CFU)
No synchronous remote teaching activity is planned for this class.
Lectures are in English.
Recorded lectures from previous years are available for students who may be unable to attend classes in person.
Textbook and teaching resource
Supporting materials will be uploaded to the e‑learning platform throughout the course. Below is an (incomplete) list of useful books and references, which will be updated regularly.
Books:
Notebook, "Stellar Astrophyiscs" by Chiesa under the supervison of Colpi
Prialnik, “Stellar structure and evolution” - the reference book
Phillips, “The Physics of Stars” - ample description of nuclear reactions in stars and basic description of stellar equilibria
Kippenhahn and Weigert, “Stellar structure and evolution” - key text for understanding stellar evolution and star's formation - advanced text
Stahler and Palla, “The formation of stars” - advanced text
Armitage, "Astrophysics of planet formation" - reference book
Shapiro and Teukolsky, “Black holes, white dwrafs and neutron stars” - the classic text on compact objects
Selected reviews and selected papers provided during the lectures.
Recorded classes.
Semester
First semester
Assessment method
The final exam is an oral assessment (viva) covering all topics discussed in class. There are no intermediate (midterm) exams.
The exam is divided into three parts:
General Knowledge
- assessment of the student’s knowledge on the foundational principles of stellar astrophysics
Ability of understanding
- evaluation of the student’s understanding of the physical processes underlying stellar astrophysics, described with detail and rigor.
Student topic
- presentation of a topic chosen by the student, preferably delivered as a computer‑based presentation (e.g. slide deck), or alternatively on a written paper note (10 minutes).
Evaluation is based on three equally important criteria:
-
Depth of Understanding
☐ Demonstrate a comprehensive grasp of the subject matter.
☐ Show ability to connect concepts and apply knowledge in context. -
Analytical Thinking
☐ Successfully perform analytical derivations where appropriate.
☐ Pose relevant, thoughtful, and probing questions.
☐ Engage critically with the material. -
Clarity and Conciseness of Presentation
☐ Present ideas in a clear and logically structured manner.
☐ Use precise language and appropriate visual aids (when applicable).
Office hours
Upon appointment via email
Sustainable Development Goals
Key information
Staff
-
Monica Colpi