ASTROPHYSICS LABORATORY

Il corso ha la finalità di fornire nozioni di base su alcuni metodi e strumenti di calcolo sviluppati e utilizzati nel campo dell’astrofisica. In particolare, con riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, il corso si propone di fornire le seguenti conoscenze e capacità.

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding abilities): conoscenza delle principali tecniche numeriche per la risoluzione di “problemi astrofisici”, ponendo particolare attenzione ai metodi per il “data modelling”, il "data analysis" e la risoluzione di sistemi di equazioni algebriche e sistemi di equazioni differenziali.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding abilities): capacità di utilizzo delle summenzionate tecniche numeriche, includendo anche lo sviluppo di programmi software.

Autonomia di giudizio (making judgements): capacità di scelta tra differenti tecniche numeriche. Sviluppo e rafforzamento della capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, mediante l’analisi critica dei risultati scientifici ottenuti e il confronto con quanto riportato in letteratura.

Abilità comunicative (communication skills): capacità di comunicare nei settori avanzati della Fisica, presentando oralmente una propria attività di ricerca o di rassegna a differenti tipologie di interlocutori (specialisti o meno). Rafforzare la capacità di relazionare per iscritto sulle attività svolte. Le abilità saranno sviluppate nell’ambito degli argomenti oggetto del presente corso.

Capacità di apprendimento (learning skills): capacità di trasformare conoscenze teoriche in applicazioni finalizzate alla risoluzione di “problemi astrofisici”. Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche nel proprio lavoro di studio e di ricerca, rafforzando le proprie capacità di auto-aggiornamento e auto-apprendimento.

L'attività didattica consiste di lezioni frontali e attività laboratoriali* con esercitazioni al computer (per un totale di 6 CFU, di cui 4 di lezioni frontali e 2 di attività laboratoriali). In particolare le attività laboratoriali prevedono l'uso e lo sviluppo, sia guidato sia in autonomia, di programmi software (principalmente in linguaggio Fortran90 e Python) che utilizzano le tecniche numeriche presentate nelle lezioni frontali. Ove possibile, sono adottate strategie innovative di insegnamento e apprendimento, mediante anche l'uso di procedure interattive e codici campione modificabili. Durante ogni lezione è, inoltre, lasciato spazio agli studenti per domande, curiosità e commenti, in modo da massimizzare l'interazione docente-discenti.

* Se possibile, alcune delle attività laboratoriali si svolgono presso strutture INAF presenti sul territorio, che sono dedicate a varie osservazioni astronomiche (i.e. osservazioni radio, solari e stellari).

N.B.: Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto descritto nel presente syllabus, al fine di rispettare per quanto possibile le finalità del corso e il programma previsto, riportati rispettivamente nelle sezioni "Risultati di Apprendimento Attesi" e "Contenuti del corso".

Conoscenze di base di informatica e astrofisica.

Secondo il regolamento didattico, la frequenza al corso è di norma obbligatoria.

Introduzione. Dati osservativi, modelli di fenomeni astrofisici.

Algoritmi di analisi numerica. Equazioni algebriche lineari, interpolazioni ed estrapolazioni, integrazione di equazioni differenziali ordinarie, problemi ai valori al contorno, integrazione di equazioni differenziali alle derivate parziali (cenni), inferenza bayesiana con algoritmi Markov Chain Monte-Carlo, trasformate di Fourier, convoluzioni e spettri di potenza. 

Linguaggi di programmazione. Cenni sugli elaboratori, progettazione di un programma, Fortran (storia ed evoluzione del Fortran, elementi fondamentali del Fortran 90/95, strutture di diramazione, cicli, istruzioni di I/O, array, procedure), Python (moduli astropy, scipy, numpy, healpy ed emcee).

Analisi di dati astronomici. Conversioni di unità e fra sistemi di coordinate astronomiche, lettura e scrittura per cataloghi e immagini astronomiche (formati FITS e HDF5), analisi di immagini acquisite con telescopi solari, analisi di curve di luce per caratterizzare le proprietà di oggetti rotanti (stelle e/o pianeti), stima di parametri cosmologici.

1. Press, Teukolsky, Vetterling, Flannery - Numerical Recipes. The Art of Parallel Scientific Computing - Cambridge University Press - 2nd Edition.
2. Chapman - Fortran 90/95 for Scientists and Engineers - McGraw-Hill Higher Education - 2nd Edition.

L’esame finale si compone di una parte preliminare (ossia la stesura di una tesina su una problematica astrofisica che richiede un approccio numerico) seguita da una prova orale. La prova orale (durata 50-60 min ca.) consiste nella trattazione di almeno tre distinti argomenti del programma e nella presentazione della tesina. La problematica astrofisica da trattare nella tesina verrà scelta dallo studente in accordo con il docente. La tesina deve essere consegnata al docente almeno tre giorni prima dell’esame e deve contenere una descrizione della problematica affrontata e dei risultati ottenuti sia dal punto di vista numerico che dal punto di vista scientifico. La presentazione orale della tesina in sede d’esame dovrà avvenire mediante un programma per presentazioni.

N.B.: la verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica sulla piattaforma Microsoft Teams, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Criteri per l’attribuzione del voto finale
Alla formulazione del voto finale concorreranno in egual misura la padronanza mostrata nelle argomentazioni qualitative e quantitative, la visione critica degli argomenti affrontati e la chiarezza espositiva.

Date degli esami
Si controllino le seguenti pagine web:

• https://studenti.smartedu.unict.it
• https://www.dfa.unict.it/corsi/lm-17/esami

Si ricorda che è OBBLIGATORIA LA PRENOTAZIONE agli esami tramite la piattaforma Smart_Edu. Gli studenti non prenotati non potranno accedere agli esami.

Le domande poste durante la prova orale d'esame saranno relative esattamente agli argomenti del programma. Ad esempio (le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi): "presenti e discuta i metodi numerici che possono essere utilizzati per risolvere sistemi di equazioni algebriche", "mi parli dei problemi ai valori al contorno",  "dica cosa s'intende per errore di round-off", ecc.