UO5: Fisica fondamentale ed origine dell’Universo

Questa UO svilupperà, con gli spettrografi ad alta risoluzione di nuova generazione, tre temi scientifici state-of-the-art in cui i ricercatori italiani vantano un’eccellenza internazionale:

  • l’evoluzione chimica dell’Universo
  • le proprietà fisiche e chimiche di galassie, AGN e del mezzo intergalattico
  • la fisica fondamentale.

Due strumenti che saranno disponibili a breve, GIARPS al TNG ed ESPRESSO al VLT dell’Osservatorio Paranal, e uno di futura realizzazione, HIRES all’E-ELT a Cerro Armazones (si veda l’UO3), grazie alla loro altissima risoluzione spettrale, alta efficienza e ineguagliata stabilità permetteranno di determinare con precisione:

  • le abbondanze chimiche in sistemi stellari risolti nell’Universo Locale e nel mezzo interstellare e circumgalattico di galassie primordiali fino all’epoca della re-ionizzazione (quando l’Universo aveva meno di un decimo della sua età attuale), per un numero considerevole di elementi. Elementi chimici diversi sono infatti prodotti in stelle di diversa massa iniziale ed espulsi nel mezzo interstellare a tempi scala differenti; essi forniscono quindi un “orologio” per datare e caratterizzare gli eventi di formazione ed arricchimento in metalli delle strutture cosmiche. Uno degli obiettivi principali è quello di rivelare la natura delle prime stelle (la cosiddetta Popolazione III) dallo studio degli elementi chimici da esse sintetizzati e osservabili in oggetti a bassissima metallicità formatisi successivamente. Allo stesso tempo, la caratterizzazione spettrale di stelle più evolute e l’identificazione di possibili anomalie chimiche permetterà di ricostruire la struttura e la storia evolutiva delle medesime e, in caso di sistemi stellari multipli, di determinare come la molteplicità influenzi l’evoluzione stellare;
  • le proprietà fisiche di galassie, AGN e buchi neri a redshift più elevati e a masse più piccole di quanto fino ad oggi possibile, mediante lo studio di caratteristiche spettrali quali righe di assorbimento ed emissione dovute a stelle e gas interstellare. In particolare, permetteranno lo studio dettagliato dei processi di accrescimento di gas nelle galassie, mediante la rivelazione diretta del gas e della sua cinematica, lo studio di galassie ellittiche e galassie in fase di formazione stellare ad alto redshift, delle loro popolazioni stellari e delle proprietà del gas ionizzato, e la misura della massa di buchi neri;
  • una misura stringente della possibile variazione della costante di struttura fine, α e del rapporto fra massa del protone e massa dell’elettrone, μ, determinati tramite il confronto fra posizioni relative di righe in assorbimento osservate in spettri di quasar ad alta risoluzione. Questa misura costituisce un fondamentale complemento cosmologico a epoche remote – circa dieci miliardi di anni fa – delle misure di alta precisione che sono effettuate in laboratorio al tempo attuale e hanno il potenziale di aprire una strada completamente nuova per il superamento del cosiddetto Modello Standard della Fisica, che sappiamo essere incompleto. Lo spettrografo ESPRESSO è stato costruito con caratteristiche tali da poter porre dei vincoli che migliorino di un paio di ordini grandezza i precedenti limiti sulla variazione di queste costanti (raggiungendo una sensibilità dell’ordine di 10-8) e il 10% del tempo garantito – rispetto a un totale di 273 notti di VLT – sarà proprio dedicato a questo studio;
  • la misura diretta e dinamica della variazione della velocità di espansione dell’Universo (il cosiddetto “Sandage Test”) uno degli obiettivi più ambiziosi dello strumento HIRES all’E-ELT, che costituirà un test fondamentale della Fisica della Gravitazione.

La UO5 raggruppa la maggior parte degli esperti italiani in questi campi sia dal punto di vista teorico/modellistico che dal punto di vista osservativo. Molti di questi hanno partecipato e/o fanno parte dei comitati scientifici di strumenti di punta per le osservazioni ad alta risoluzione (per es. X-SHOOTER ed ESPRESSO per il VLT e HIRES per E-ELT) ed hanno quindi contribuito alla definizione delle caratteristiche strumentali fondamentali per l’ottenimento dei risultati scientifici più ambiziosi.

Il lavoro dell’UO5 è stato suddiviso in WP tematici che presentano però delle forti sinergie e i cui risultati concorreranno insieme a trovare delle risposte ai grandi temi qui proposti, quali l’evoluzione chimica dell’Universo e le caratteristiche di galassie ed AGN a varie epoche cosmologiche.

L’UO5 si occuperà in particolare dello sfruttamento da parte della comunità italiana del tempo garantito dello strumento ESPRESSO al VLT, che vedrà la prima luce nel 2017.

L’UO5 permetterà alla comunità di ricercatori italiani che richiedono lo strumento HIRES all’E-ELT di continuare a esercitare la propria leadership internazionale (il P.I. di questo strumento, per cui ESO prevede un futuro stanziamento di almeno 18 milioni di euro, è italiano, il Prof. A. Marconi). In particolare, nell’ambito dell’UO5 saranno sviluppate le simulazioni e i progetti osservativi pilota che permetteranno di massimizzare il ritorno scientifico per INAF nell’utilizzo degli strumenti ad alta risoluzione di prossima generazione.

L’UO5 è organizzata in 5 WPs:

Componenti l’UO5:

Chieffi Alessandro, Covino Stefano, Cresci Giovanni, Cristallo Sergio, Cristiani Stefano, D’Elia Valerio, De Martino Domitilla, Fanelli Cristiano, Limongi Marco, Lucatello Sara, Marconi Alessandro, Mason Elena, Molaro Paolo, Monai Sergio, Moretti Alberto, Mucciarelli Alessio, Origlia Liva, Pancino Elena, Piersanti Luciano, Romano Donatella, Saracco Paolo, Schmidt Tobias, Schneider Raffaella, Severgnini Paola, Straniero Oscar, Tozzi Paolo, Viel Matteo, Vladilo Giovanni, Zaggia Simone.