Course Syllabus
Obiettivi
Conoscenza e capacità di comprensione (DdD1):
Raggiungimento una conoscenza di base della struttura dell'universo e delle principali fasi nell'evoluzione cosmica dal big bang alla crescita di strutture.
Conoscenza e capacità di comporensione applicate (DdD2)
Capacità di determinare analiticamente o numericamente l'evoluzione delle principali grandezze cosmologiche (e.g. fattore di scala, redshift, distanza di luminosità e distanza angolare, orizzonte cosmologico) a partire dalle assunzioni sulle densità delle varie componenti presenti nell'universo (e.g. materia relativistica e non relativistica, energia oscura);
Utilizzo di osservazioni astrofisiche e cosmologiche per risolvere il problema inverso, i.e. determinare i parametri cosmologici a partire dalle informazioni sulle distribuzioni delle grandezze cosmologiche, come, ad esempio, le distribuzioni di redshift e di distanze di luminosità.
Contenuti sintetici
Cosmologia classica, modelli di Friedman. Radiazione cosmica di fondo. Nucleosintesi cosmologica. Inflazione. Formazione e crescita di strutture.
Programma esteso
Isotropia e omogeneita` dell'Universo su grande scala. Legge di Hubble. Metrica di Robertson
Walker. Equazioni di Friedman e modelli di Friedman. Misura dei parametri cosmologici. Problemi del modello standard di Big Bang e la soluzione proposta dal modello inflazionario. Nucleosintesi cosmologica. Ricombinazione. Radiazione cosmica di fondo. Instabilità gravitazionale in un universo in espansione. Differenze nella distribuzione di strutture in presenza di materia oscura calda o fredda.
Prerequisiti
I contenuti dei corsi di matematica e fisica della laurea di primo livello. Una base di relatività generale permette una comprensione più completa dei contenuti del corso, ma non è necessaria per seguire con profitto. La parte iniziale del corso includerà una introduzione ai concetti di relatività generale necessari.
Modalità didattica
Le lezioni saranno tutte svolte in presenza.
3 CFU verranno svolti nella modalità di didattica erogativa (lezioni frontali), per un totale di 21 ore da dividersi in 10 lezioni da 2 ore e 1 lezione da 1 ora.
I rimanenti 3 CFU saranno di didattica interattiva, con 16 lezioni da 2 ore e 1 lezione da 1 ora di esercitazioni in classe sulla costruzione e soluzione dei modelli cosmologici e sulla stima dei parametri cosmologici.
Durante le lezioni ci saranno frequenti occasioni di confronto e controllo del progresso nell'apprendimento, attraverso la proposta alla classe di quesiti non valutati dal risolvere indipendentemente o in gruppo.
Materiale didattico
Il testo principale di riferimento è: B. Ryden, “Introduzione alla cosmologia”.
Alcune lezioni, in particolare sulla formazione e crescita delle strutture, saranno basate su:
- Binney and Tremaine "Galactic dynamics"
- Longaire "Galaxy formation"
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame finale è orale e consta di un colloquio sugli argomenti trattati a lezione. Non sono presenti prove intermedie.
Più precisamente l'esame consta di tre parti: l'esposizione di un approfondimento scelto dallo studente, un'analisi di un modello di Friedmann a multicomponente, ed una terza parte volta a valutare la conoscenza dello studente degli altri argomenti trattati nel corso.
Ogni parte ha lo stesso peso nella valutazione finale, a cui concorreranno in egual misura la conoscenza degli argomenti trattati, la capacità di usare tale conoscenza per derivare le proprietà su grande scala del nostro Universo, e la capacità di esposizione.
Orario di ricevimento
Mercoledi` 16:00-18:00
Sustainable Development Goals
Aims
Knowledge and understanding (DdD1)
Acquisition of a basic knowledge of the structure of the Universe and of the main stages of the cosmic history, from the big bang to the growth of structures.
Applying knowledge and understanding (DdD2)
Ability to derive analitically or numerically the evolution of the main cosmological quantities (e.g. redshift, scale factor, luminosity and angular distances, cosmological horizon) starting from the density of the different components (e.g. relativistic and non relativistic matter, dark energy) permeating the Universe;
Ability to use cosmological and astrophysical observations to solve the inverse problem, i.e. to determine the values of the cosmological parameters from the information on the distributions of cosmological observables, as, for example, the distributions of redshift and luminosity distance pairs.
Contents
Classical cosmology, Friedman models. Cosmic microwave background. Cosmological
nucleosynthesis. Inflation. Structure formation and growth.
Detailed program
Large scale homogeneity and isotropy of the Universe. The Hubble law. The Robertson Walker
metric. The Friedmann Equation and Friedmann models. Measures of the cosmological parameters. Problems in the standard Big bang model and the inflation solution. Cosmic nucleosynthesis. Recombination. Cosmic microwave background. Gravitational instability in an expanding Universe. Differences in the distribution of structures in presence of hot or cold dark matter.
Prerequisites
Mathematics and Physics for undergraduates. A basic knowledge of general relativity allows for a more complete comprehension of the class, but such knowledge is not necessary to fruitfully follow the class.
The first part of the course will include an introduction to the concepts of general relativity required.
Teaching form
All the lectures will be in presence.
3 CFU will consist of traditional lectures ("didattica erogativa", DE), with 21 hours splitted in 10 lectures of 2 hours each and 1 lecture of 1 hour.
The remaining 3 CFU will consist of interactive teaching ("didattica interattiva" - DI), with 16 lectures of 2 hours and 1 lecture of 1 hour on the construction and solution of cosmological models and on the estimation of the cosmological parameters.
I will frequently propose during the lectures (not evaluated) questions and problems to be solved individually or in group, to allow for a check of the effective learning progress of the class.
Textbook and teaching resource
The main text of the class is: B. Ryden, “Introduction to cosmology”.
Some lectures, in particular on the structute formation topic, will be based on:
- Binney and Tremaine "Galactic dynamics"
- Longaire "Galaxy formation"
Semester
First semester.
Assessment method
The final exam is an oral assessment (viva) covering the topics discussed in class. there are no intermediate exams.
The exam consists of three equally weighted parts: the discussion of an an argument selected by the student, the analysis of a multicomponent Friedmann model, and a broader discussion to assess the student’s understanding of the remaining topics covered during the course.
Evaluation is based on three equally important criteria:
Depth of understanding of the topics
Ability to apply this knowledge to derive the large-scale properties of the Universe
Clarity and conciseness in presentation
Office hours
Wednesday 16:00-18:00
