PROGRAMMA DEL CORSO DI ASTROFISICA DELLE ALTE ENERGIE (prof. Enrico Massaro)

Programma (AA. 1998-99)

Il corso sara` organizzato in due moduli di 40 ore circa (semestrali) entrambi svolti nel secondo semestre (Primo modulo: 1 Marzo-15 Aprile; Secondo modulo: 16 Aprile-31 Maggio). Nel primo si dara` una panoramica dei risultati osservativi nel campo dell' astrofisica delle alte energie, delle tcniche e metodologie sperimentali. Nel secondo modulo si esamineranno in dettaglio la natura delle sorgenti di radiazione di alta energia e i processi fisici che in esse si verificano.

PRIMO MODULO

1. Quadro storico.

Le particelle di alta energia nell' universo. Scoperta e prime ricerche sui raggi cosmici. Nascita della radioastronomia, dell' astronomia X e gamma.

2. Interazioni di particelle cariche e fotoni con la materia (richiami).

Grandezze fondamentali (sezione d' urto, perdita specifica di energia,.. Eccitazione e ionizzazione (formula di Bethe-Bloch), effetto Cerenkov, radiazione di transizione. Diffusione degli elettroni. Bremsstrhalung. Effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione e annichilazione di coppie riga a 511 keV e continuo). Righe gamma da decadimenti nucleari. Interazioni forti: produzione e decadimento di mesoni. Antiprotoni. Neutrini.

3. Radiazione cosmica primaria e secondaria.

Natura, composizione e spettro della radiazione cosmica primaria. Misure di anisotropia e variazioni temporali. Componente elettronica: spettro e rapporto di carica. Antiprotoni primari. Radiazione cosmica secondaria: componenti nucleare attiva, muonica, elettrofotonica e neutrinica. Cascate elettrofotoniche e sviluppo di sciami estesi. Radiazione cosmica nel sottosuolo. Effetti geomagnetici e modulazione solare (cenni).

4. Tecniche sperimentali per lo studio della radiazione cosmica.

Strumentazione da pallone e da satellite per la misura della composizione chimica e isotopica ed energia della RCP. Strumentazione al suolo: monitor di neutroni, rivelatori di sciami. Strumentazione sotterranea e subacquea.

5. Astronomia a raggi gamma (> 30 MeV).

Rivelatori: scintillatori, camere a scintille, ... Prime osservazioni da satellite: OSO 8, SAS 2, COS B. L' osservatorio spaziale Compton-GRO. Osservazioni da pallone. Il cielo a raggi gamma: emissione galattica, sorgenti discrete (il catalogo di EGRET), emissione diffusa.

6. Astronomia a raggi gamma (100 keV - 30 MeV).

Diversi tipi di strumentazione: rivelatori a scintillazione collimati e non, telescopi a maschera codificata, rivelatori phoswich, telescopi Doppio-Compton, rivelatori spettroscopici al germanio. Gli strumenti a bordo di CGRO: Comptel, OSSE, BATSE. Principali risultati osservativi: emissione galattica (riga di annichilazione e+e-, righe nucleari - Al26) e diffusa, sorgenti discrete. La supernova 1987a. Eventi impulsivi di raggi gamma (Gamma Burst): loro scoperta e proprieta` principali. Il problema della loro origine e ricerca di controparti in altre bande di frequenza.

7. Astronomia gamma al TeV.

Rivelatori ad effetto Cerenkov atmosferico (l' osservatorio Whipple). Tecniche di osservazione e di filtraggio. Altri tipi di rivelatori al suolo. Recenti osservazioni di sorgenti galattiche ed extragalattiche.

SECONDO MODULO

8. Processi di emissione di radiazione elettromagnetica.

Radiazione di sincrotrone: potenza irraggiata, distribuzione spettrale, frequenza critica, polarizzazione. Effetto Compton Inverso: approssimazioni Thomson e Klein-Nishina estrema, distribuzione spettrale. Limite quantistico dell' emissione di sincrotrone. Campo magnetico critico. Radiazione di curvatura. Emissione di sincrotrone in onde e.m. forti. Bremsstrhalung: potenza irraggiata, distribuzione spettrale. Decadimento di pioni neutri. Distribuzione spettrale nel sistema del laboratorio, comportamento asintotico.

9. Pulsar.

Quadro fenomenologico dell' emissione e.m. dalle pulsar. Proprieta` statistiche della popolazione di pulsar radio. Pulsar con periodi molto brevi (millisecondi). Misura di dispersione e distanza delle pulsar. Stabilita` rotazionale di una stella di meutroni. Campo magnetico superficiale, eta` caratteristica, indice di frenamento. La pulsar della Crab nebula (PSR B0531+21). Il modello di Goldreich e Julian. Struttura della magnetosfera e problemi di autoconsistenza. Modelli con ddp elettrostatica polare ed esterna. Accelerazione di particelle. Emissione di raggi X e gamma dalle pulsar.

10. Emissione galattica diffusa.

Struttura dell' emissione galattice nelle diverse bande spettrali (radio, IR, visibile,..., gamma). Il mezzo e il campo magnetico interstellare; effetto Faraday e misura di rotazione. Propagazione dei Raggi Cosmici nello spazio interstellare: equazione del trasporto e metodi di soluzione funzione di Green) nelle diverse approssimazioni. Propagazione della componente elettronica, modelli "diffusion-loss" e "leaky box", radioemissione galattica, spettri demodulati e stima della densita` elettronica. Modelli dell' emissione gamma galattica: funzione sorgente, distribuzione spettrale e problemi aperti. Emissione galattica a 511 keV e positroni interstellari, emissione dall' Al26.

11. Supernovae e Resti di Supernovae.

Tipi di Supernovae. Equazione di Lane-Emden, stabilita` della struttura stellare. Proprieta` e morfologia dei resti di supernove: resti ad anello e plerioni. Il resto di Supernova del 1054 (Crab Nebula). Onde d' urto. Evoluzione dei resti di supernovae. Accelerazione di particelle nelle onde d' urto, meccanismo di Fermi di primo ordine. I resti di supernovae come possibili sorgenti gamma galattiche.

12. Nuclei Galattici Attivi (AGN).

Proprieta` generali e classificazione degli AGN. Modelli unificati. I blazar e le radiosorgenti a spettro piatto e fenomeni di variabilita` rapida. Le sorgenti gamma extragalattiche. Modelli SSC di AGN, catastrofe Compton. Modelli a getto, fattore di collimazione relativistica.

Testi consigliati:

M. Longair, "High energy astrophysics" (voll. 1 e 2), Cambridge Univ. Press