Astrofisica Teorica e Cosmologia

Questo settore di ricerca vuole indagare la natura fisica delle strutture cosmiche a diverse scale, da quella stellare a quella extragalattica e cosmologica da un punto di vista sia osservativo che teorico e statistico. L'attività osservativa copre l'intero spettro elettromagnetico dal radio all'infrarosso, dall'ottico fino alle energie più elevate (raggi X e gamma). A questo scopo il nostro gruppo ha accesso alla strumentazione più moderna, sia da terra (telescopi ottici della classe 10m) che dallo spazio (satelliti per la banda X, ottica/infrarossa, radio e microonde.  L'accesso diretto ad una grande mole di dati, spesso ottenuti grazie a proposte di osservazione del nostro gruppo, sostiene e stimola una ricerca teorica di punta, volta allo sviluppo di modelli per l'interpretazione dei dati osservativi e di complesse simulazioni numeriche.
In particolare, le linee di ricerca attive coprono l'astrofisica stellare (fasi avanzate dell'evoluzione di stelle di piccola massa), l'astrofisica delle stelle di neutroni e dei buchi neri (proprietà dei mezzi ultra-magnetizzati, polarizzazione della radiazione in relatività generale) e la cosmologia (studio dell’Universo nel suo insieme, delle sue fasi primordiali, del CMB e della sua evoluzione fino ad oggi). Una sempre maggiore importanza riveste lo studio delle onde gravitazionali (p.es. le onde gravitazionali primordiali) sia dal punto di vista osservativo e teorico.

Staff

Professoresse e Professori di I fascia: Nicola Bartolo, Roberto Turolla
Professoresse e Professori di II fascia: Daniele Bertacca, Michele Liguori, Alvise Raccanelli
Ricercatrici e Ricercatori: Diego Bossini, Guglielmo Costa, Alessandro Renzi, Roberto Taverna, Michele Trabucchi

Assegniste/i e Borsiste/i

Michele Catone, Silvia Conforti, Ruth Kelly (UCL-DFA), Rosa Laura Lechuga Solis, Manuela Mattiussi, Alina Mierna, Ragavendra HV

Dottorande/i

Ripalta Amoruso, Chaima Baztami, Andrea Begnoni, Bartolomeo Bottazzi Baldi, Silvia Conforti, Jessie Arnoldus De Kruijf, Yiwen Huang, Ruth Kelly (UCL-DFA), Alina Mierna, Matteo Pegorin, Gabriele Perna, Federico Semenzato

Collaboratrici e collaboratori esterni

Léo Girardi (INAF), Simone Zaggia (INAF), Sandro Bressan (SISSA), Kendall Shepherd (SISSA), Alessandro Mazzi (Università di Bologna), Chi Thanh Nguyen (SISSA), Silvia Zane (MSSL-UCL), Angelo Ricciardone (Università di Pisa), Giada Pastorelli (INAF), Guglielmo Volpato (Université libre de Bruxelles)

Attività di ricerca

  Struttura ed Evoluzione Stellare

Questa linea di ricerca occupa una posizione di riferimento nel panorama scientifico internazionale. Si fonda sulla collaborazione tra ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia (DFA) dell’Università di Padova, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) di Padova e della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste. L'indagine teorica affronta molteplici aspetti della fisica stellare, in particolare: l'equazione di stato e l'opacità del gas atomico e molecolare (con il codice AESOPUS, recentemente aggiornato grazie al progetto PRIN 2022NEXMP8_001 “Radiative Opacities for Astrophysical Applications”, PI P. Marigo), i processi di mescolamento e di nucleosintesi negli interni stellari, la rotazione stellare, la perdita di massa per venti stellari, e la modellistica di pulsazione e oscillazioni stellari (variabilità stellare e astrosismologia). Nell'ambito della nucleosintesi stellare, è attiva la collaborazione con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) nei progetti LUNA e LUNA-MV, per valutare l'impatto astrofisico di nuovi tassi di reazione nucleare e per collegare misure di laboratorio e modelli stellari. Questi ingredienti fisici sono integrati nei codici evolutivi PARSEC e COLIBRI per il calcolo di modelli stellari.
Muovendo dai risultati raggiunti nel progetto STARKEY (ERC Consolidator Grant, PI P. Marigo), le attività scientifiche del gruppo di evoluzione stellare sono fortemente impegnate nello sviluppo di una modellistica dettagliata per le fasi evolutive avanzate delle stelle di massa piccola e intermedia (con il codice COLIBRI), che ricoprono un ruolo cruciale nell'interpretazione di molteplici aspetti dell'astrofisica, dalla composizione chimica delle meteoriti della nebula presolare fino alle proprietà spettro-fotometriche delle galassie ad alto redshift. Inoltre, le attività recenti del gruppo si sono estese e rafforzate nello studio di stelle massicce e molto massicce, di composizione primordiale, di sistemi binari e di stelle con rotazione rapida, prevalentemente mediante l'uso del codice di evoluzione stellare PARSEC, al fine di fornire alla comunità scientifica modelli aggiornati e coerenti per l'intera gamma di masse e condizioni stellari.
Progetti attivi di ricerca riguardano lo studio di variabilità e perdita di massa nelle fasi evolutive finali di stelle di massa piccola e intermedia (progetto CONVERGENCE, finanziato dall’Unione Europea “Next Generation EU” e dall’Università di Padova con Starting Grant STARS@UniPd 2023, PI M. Trabucchi), e della formazione di stelle di primordiali (progetto FIRES, finanziato dall’Unione Europea “Next Generation EU”, PNNR, Missione 4 Componente 2 “Young Researchers Seal of Excellence”, PI G. Costa).
I prodotti del gruppo comprendono estese griglie di tracce evolutive (con masse dalle 0.1 alle 2000 M☉ e composizione chimica da quella primordiale - nucleosintesi del Big Bang - a super-solari), isocrone corrispondenti con età da pochi milioni di anni a decine di miliardi, tabelle di opacità e di equazioni di stato, predizioni di variabilità stellare, oltre a strumenti per l'interpretazione astrosismica. La linea di ricerca include inoltre lo sviluppo di simulazioni di popolazioni stellari galattiche ed extragalattiche in tutte le bande fotometriche dei più importanti telescopi e survey astronomiche presenti e future. Tutti i prodotti della ricerca stellare sono resi disponibili mediante pubblicazioni e interfacce web di ampio utilizzo, regolarmente aggiornate ed accessibili tramite il portale https://stev.oapd.inaf.it.
Queste competenze sono impiegate dal gruppo nella pianificazione e nel supporto scientifico di alcune delle più importanti survey e missioni recenti e future, tra cui Gaia, Rubin/LSST, PLATO, Ariel, 4MOST, i grandi programmi con JWST e la missione Roman, con la partecipazione attiva del gruppo ai relativi consorzi scientifici, nonché la partecipazione a iniziative di livello europeo europeo (es. ECOST CheTEC).
Contatti: Michele Trabucchi, Guglielmo Costa, Diego Bossini 

  Stelle di neutroni

Le stelle più massicce (oltre 8-10 volte la massa del sole) terminano la propria esistenza in un'esplosione di supernova. Se la massa iniziale della stella è inferiore a circa 25 volte quella solare, la densità nel nucleo diventa così elevata da rendere energeticamente favorevole la progressiva neutronizzazione della materia, fino a che l'enorme pressione dei neutroni degeneri riesce ad arrestare il collasso. La struttura che ne risulta è una stella di neutroni.
Con raggio di 10-15 km e massa di 1-2 masse solari, le stelle di neutroni sono gli oggetti
conosciuti più densi e i più potenti magneti nell’universo attuale.
La combinazione di altissime densità, enorme gravità ed intensissimi campi magnetici fa delle stelle di neutroni laboratori ideali per testare la fisica fondamentale, dalla quanto elettrodinamica alla quanto-cromodinamica alla relatività generale, nel limite di campo forte. A Padova è attiva da tempo una linea di ricerca sulle stelle di neutroni, rivolta in particolare allo studio, teorico ed osservativo, delle loro proprietà di emissione in banda X (Chandra, XMM, Swift e INTEGRAL) e ottica (VLT, HST), con particolare riguardo ai Soft Gamma Repeaters e gli Anomalous X-ray pulsars, sorgenti X che contengono una “magnetar”, una stella di neutroni con campo magnetico ultra-intenso, superiore al campo critico quantistico. Il gruppo è coinvolto nello sviluppo delle recenti polarimetria X  (IXPE e eXTP). La missione NASA/ASI IXPE, lanciata nel dicembre 2021, ha osservato per la prima volta alti gradi di polarizzazione nelle magnetar, fornendo un’ulteriore conferma della presenza di campi magnetici ultra-forti e rivelando che la radiazione emessa dalle magnetar può provenire dalla loro superficie condensata. Inoltre l’analisi risolta in fase dei dati raccolti dà una prima evidenza della birifrangenza del vuoto magnetizzato.
Contatti: Roberto Turolla, Roberto Taverna

  Cosmologia

I principali interessi di ricerca del nostro gruppo risiedono all'intersezione tra Cosmologia e Fisica fondamentale. Questa include lo studio sia dell'Universo primordiale che della struttura a grande scala dell’Universo. Il nostro lavoro di ricerca sulla fisica dell'Universo primordiale ruota attorno ai meccanismi inflazionari per la generazione delle perturbazioni cosmologiche, considerando sia gli aspetti teorici che quelli osservativi. Un notevole sforzo viene dedicato all'analisi delle fluttuazioni primordiali e alla loro statistica - ovvero, alla possibile deviazione dalla Gaussianità, allo studio del fondo di onde gravitazionali (GWB) prodotto dall’inflazione e da sorgenti astrofisiche. Siamo fortemente coinvolti nella modellizzazione e studio dell’evoluzione di strutture su grande scala e sul come utilizzare tali osservazioni per testare modelli cosmologici.
Questo lavoro include la modellizzazione teorica, l'analisi delle potenziali segnature del GWB primordiale nel modo B di polarizzazione del fondo cosmico alle microonde (CMB) e la caratterizzazione per la misura diretta da interferometri. Per quanto riguarda l'accelerazione cosmica a nell’Universo a basso redshift, il nostro interesse è incentrato sullo studio dei modelli di gravità modificata (MG) sulle scale cosmologiche, includendo predizioni teoriche e misura delle segnature osservative di tali modelli nei dati CMB e di Large-Scale Structure (LSS). Queste misurazioni dipendono fortemente dai dettagli dell'espansione accelerata e possono essere utilizzate per stabilire forti vincoli su MG. Sia per le sorgenti primordiali che per quelle astrofisiche di onde gravitazionali, ci concentriamo sulla caratterizzazione dei backgrounds, tenendo anche conto degli effetti della propagazione delle onde gravitazionali attraverso disomogeneità cosmiche. Il gruppo è coinvolto in diverse importanti collaborazioni internazionali, quali Einstein Telescope, Euclid, LISA, LiteBird, SKA ed ha avuto un ruolo fondamentale nella missione Planck, per la parte di inflazione e non-Gaussianità.
Un'area di ricerca molto importante per il nostro gruppo è rappresentata dallo studio della formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche a grande scala, sia per mezzo di strumenti analitici che simulazioni numeriche, includendo anche effetti general relativistici. Il nostro focus è l’evoluzione della LSS, con l’obiettivo di fornire nuovi test per modelli di energia oscura, gravità e fisica dell’Universo primordiale. Nell’ambito di questo argomento, il nostro gruppo è fortemente coinvolto in molte importanti surveys cosmologiche, incluse quelle ottenibili dal satellite Euclid dell’ESA e dal progetto internazionale per l’array radio SKA. Infine, siamo in prima linea nello sviluppo di analisi congiunte di onde gravitazionali e surveys di LSS; questo in particolare è collegato allo  studio dell’origine e della fisica dei buchi neri, e allo studio di buchi neri primordiali.
Contatti: Sabino Matarrese, Nicola Bartolo, Michele Liguori, Alvise Raccanelli, Daniele Bertacca