S. Cantalupo, M. Colpi, M. Dotti, M. Fumagalli, D.Gerosa, M. Gervasi, F. Nati, A. Sesana, M. Zannoni

M.Fossati, M.Fumagalli

L’attività di formazione stellare delle galassie è fortemente influenzata dall’ambiente in cui si trovano. Le galassie che orbitano in ambienti densi (gruppi o ammassi di galassie) presentano ridotti tassi di formazione stellare rispetto alle galassie nel campo. Il nostro gruppo di ricerca si dedica allo studio del ram pressure stripping negli ammassi di galassie, un processo cruciale attraverso cui il gas interstellare viene strappato via dalle galassie che si muovono rapidamente nel denso mezzo intracluster. Analizziamo come questa interazione influenzi la morfologia galattica, la formazione stellare e la distribuzione del gas. Attraverso osservazioni di imaging e spettroscopia multi-banda, dalle immagini ottiche alle emissioni radio e ai dati X, analizziamo le code di gas ionizzato e neutro, che viene strappato alla galassia, offrendo opportunità uniche di osservare la trasformazione di galassie a spirale attive in oggetti senza formazione stellare residua. le osservazioni vengono combinate con sofisticate simulazioni idrodinamiche per ricostruire la dinamica del gas e le condizioni di ionizzazione dei filamenti di gas strappato alle galassie. recentemente il nostro lavoro si è focalizzato sullo studio dei tempi scala della soppressione della formazione stellare. Collaboriamo con progetti internazionali per integrare ampi dataset e sviluppare modelli interpretativi.
L’obiettivo ultimo di questo studio è comprendere come l’ambiente degli ammassi influenzi l’evoluzione delle galassie in funzione del tempo cosmico.

M.Fumagalli, M.Fossati

Nel modello cosmologico attuale, l’Universo è permeato dal cosmic web, una complessa rete di filamenti che compone la struttura dell’Universo su larga scala. Osservazioni di questa ragnatela cosmica forniscono informazioni fondamentali sulle componenti dell’Universo, e sulla sua formazione ed evoluzione.  L’osservazione diretta del cosmic web in emissione è una grande sfida ingegneristica, dato che solo un debolissimo segnale raggiunge i nostri strumenti. Utilizzando spettroscopia tridimensionale ad alta risoluzione proveniente da nuovi e sensibilissimi strumenti come MUSE (installato al telescopio da 8m VLT, in Cile), è ora possibile mappare in dettaglio la distribuzione del gas intorno alle galassie. 

Il nostro gruppo ha ottenuto alcune delle immagini ad alta risoluzione più spettacolari del gas che connette due galassie attive nell’Universo giovane, circa 10 miliardi di anni fa. Combinando questi programmi osservativi con la partecipazione alle campagne promosse da grandi collaborazioni come WEAVE ed Euclid, è ora possibile ricostruire il legame tra le galassie e il gas che le circonda, su grandi scale cosmiche, in modo complementare alle piccole scale osservate con MUSE. Sfruttiamo algoritmi avanzati di ricostruzione 3D per identificare strutture filamentarie e studiarne le proprietà fisiche e dinamiche. Il nostro obiettivo è comprendere come il cosmic web influenzi la formazione e l’evoluzione delle galassie, la distribuzione del gas intergalattico e l’accrescimento di massa nei nodi più densi. Puntiamo a realizzare mappe sempre più precise, utili a testare modelli cosmologici e la fisica dell’Universo primordiale. 

L. Pizzuti, M. Fossati 

Secondo il modello cosmologico standard,  il 95% del cosmo appare sotto forma di componenti oscure, non osservabili in modo diretto, ma i cui effetti definiscono la formazione e la distribuzione delle strutture cosmiche. Comprendere la natura fisica di queste componenti, denominate materia oscura ed energia oscura, è una tra le sfide più interessanti dell’astrofisica e della cosmologia moderna.  Gli ammassi di galassie sono tra i laboratori naturali più interessanti per studiare il “lato oscuro” del cosmo. La loro distribuzione e i processi fisici interni sono potenti indicatori della presenza e del comportamento di materia ed energia oscura. Sfruttando dati fotometrici e spettroscopici di alta qualità, ci occupiamo di misurare in modo dettagliato il profilo di massa degli ammassi attraverso combinazioni di analisi multi-banda di dinamica delle galassie, di lensing gravitazionale e dell’emissione di raggi X dal gas caldo. Inoltre, cerchiamo di investigare il legame tra la distribuzione di materia (ordinaria ed oscura), le orbite delle galassie e le loro proprietà, come l’evoluzione del tasso di formazione stellare. Parte del nostro lavoro si concentra anche sull’uso dei profili di massa come test di modelli cosmologici alternativi per comprendere la natura dell’energia oscura e il funzionamento della gravità a grandi scale. Siamo anche impegnati attivamente nel consorzio Euclid, dove da un lato ci occupiamo di studiare le proprietà degli ammassi in modelli non-standard, mentre dall’altro studiamo metodi cinematici che ci permettano di ricavare la massa di un grande campione di ammassi usando i dati spettroscopici che saranno presto disponibili da Euclid.

Referente: Alejandro Benítez-Llambay

Le osservazioni astronomiche su larga scala hanno permesso di stabilire il modello Lambda-Cold-Dark-Matter (ΛCDM) come paradigma standard della formazione delle strutture cosmiche e pilastro della teoria della formazione galattica. Il modello ΛCDM formula previsioni specifiche sull’abbondanza, la struttura e la distribuzione spaziale degli aloni di materia oscura (DM), ossia le sedi in cui si formano le galassie. Negli ultimi anni, tali previsioni sono state messe in discussione su piccola scala da osservazioni di galassie a bassa massa dominate dalla materia oscura. Tra i problemi noti si annoverano: (i) il problema dei satelliti mancanti; (ii) il problema del "too-big-to-fail"; e (iii) il problema cusp-core. Gli studi teorici hanno dimostrato che queste discrepanze derivano in larga parte da confronti ingenui tra osservazioni e simulazioni N-body collisionless, che trascurano l’impatto della formazione galattica sull’alone ospite di materia oscura. Quando si tengono in considerazione gli effetti barionici, le tensioni si attenuano. Tuttavia, confronti quantitativi dettagliati risultano ostacolati dalle incertezze nella modellizzazione subgrid (non risolta) della formazione galattica nelle simulazioni, oppure da incertezze osservative, rendendo le galassie a bassa massa tutt’altro che sonde cosmologiche affidabili. Testare il modello ΛCDM su piccola scala richiede dunque di spingere sia le osservazioni astronomiche sia le simulazioni cosmologiche in un regime ancora inesplorato, in cui la formazione galattica e la fisica barionica svolgono un ruolo minimo.

In questo ambito di ricerca, sviluppiamo ed esploriamo le previsioni di simulazioni numeriche idrodinamiche sulla formazione galattica, al fine di acquisire nuove conoscenze che possano contribuire a vincolare tra osservazioni astrofisici la natura della sfuggente particella di materia oscura. Questo lavoro è affiancato da osservazioni condotte con strumenti spaziali e i più grandi interferometri radio terrestri.

S. Cantalupo

Nel nostro attuale paradigma di formazione delle strutture cosmologiche, il collasso gravitazionale durante i primi miliardi di anni dell'Universo ha trasformato una distribuzione quasi omogenea della materia in una rete di filamenti gassosi che gli astronomi chiamano “Ragnatela Cosmica” (Cosmic Web). La formazione delle galassie avviene nelle parti più dense di queste strutture filamentose e si prevede come l'evoluzione delle galassie sia sostenuta e regolata dalla caduta di gas dalla Ragnatela Cosmica o dal Mezzo Intergalattico (IGM).

Studiamo il Cosmic Web e le galassie ad esso associate sia attraverso la modellazione teorica/numerica sia attraverso osservazioni con gli strumenti astronomici più avanzati su telescopi di classe 8-10m. In particolare, ci concentriamo sulla rivelazione diretta e sullo studio in assorbimento ed emissione della componente barionica della “Ragnatela Cosmica” - i mezzi intergalattici e circum-galattici - al fine di svelare le proprietà fisiche e la morfologia tridimensionale delle Strutture Cosmiche e di rispondere a diverse domande fondamentali:

• Come si formano le galassie nella Rete Cosmica? Quali sono le condizioni fisiche per la formazione delle stelle nelle prime proto-galassie, potenzialmente oscure?
• Come si procurano il gas le galassie? Qual è la morfologia e la cinematica del gas di accrescimento e come questo influenza il processo di formazione ed evoluzione delle galassie?
• Quali sono le proprietà fisiche e morfologiche della Rete Cosmica? Come si confronta con la nostra comprensione della formazione della struttura cosmologica nell'universo e cosa ci dice sulla natura della Materia Oscura?

Per ulteriori informazioni sulle nostre attività di ricerca, sulle metodologie e sui risultati, consultare l'elenco delle pubblicazioni (Publication List).

M.Dotti, R.Buscicchio

I buchi neri (BHs) di origine astrofisica sono descritti da due parametri che secondo la Relatività Generale determinano univocamente la struttura geometrica dello spaziotempo. Massa e spin determinano la luminosità e l’efficienza dei processi di accrescimento sui BHs, la velocità con cui questi possono crescere in massa, e, nel caso di coalescenza fra due BHs, le proprietà dell’onda gravitazionale e la velocità di rinculo per emissione anisotropa di onde gravitazionali, che in casi estremi può espellere i BHs dalle loro galassie. In particolare, lo spin è considerato come un fattore determinante per la produzione di getti relativistici osservati fino a scale di milioni di anni luce. Il nostro gruppo si occupa di modellare l'evoluzione cosmica degli spin di BH massicci (MBHs), legandola ai processi dinamici che portano il gas intergalattico a cadere verso il nucleo della galassia, e di testare questi modelli con misure del modulo dello spin e della sua direzione.

M.Dotti, R.Buscicchio

La fusione di galassie è un canale naturale per la formazione di binarie di buchi neri supermassicci (MBHBs). Durante le fasi finali della loro evoluzione, le MBHBs  emettono intensamente onde gravitazionali, rendendole osservabili a bassa frequenza dalle correnti campagne di pulsar timing e dal futuro interferometro spaziale LISA in grado di rivelare onde gravitazionali al milli-Hertz.. Ad oggi, però, solo una MBHB è stata identificata inequivocabilmente in bana radio. Il nostro gruppo si occupa di modellare delle caratteristiche (elettromagnetiche) proprie di MBHBs, di cercare queste ultime in cataloghi osservativi, e di sviluppare una pipeline per la rapida identificazione di MBHBs nel flusso di dati che arriverà quando LISA sarà in funzione.

A. Sesana

Le pulsar sono stelle di neutroni altamente magnetizzate che ruotano rapidamente e fungono da orologi cosmici. Monitorando minuscole variazioni del ticchettio di un insieme di pulsar sparse per la nostra galassia, possiamo ricostruire piccolissime distorsioni dello spazio tempo dovuto alla propagazione di onde gravitazionali (GW) alla frequenza del nanoHz. Tali onde sono generate da binarie di buchi neri supermassicci (MBHBs) e la loro ‘firma’ nei dati PTA e` stata rilevata per la prima volta nel 2023. In collaborazione con l’European e l’International PTA (EPTA, IPTA), il nostro gruppo si occupa della modellizzazione analisi ed interpretazione dei dati PTA, e delle loro implicazioni per l’astrofisica dei MBHBs e della fusione delle galassie che li ospitano.

M. Bonetti, M. Colpi, M. Dotti, A. Sesana

I buchi neri supermassicci (MBHs) risiedono al centro delle galassie e giocano un ruolo fondamentale nella loro formazione ed evoluzione. Ma come si formano questi MBHs? Come raggiungono masse di diverse miliardi di volte quella del sole quando l’universo e` ancora giovane? Cosa succede quando due o piu` galassie si fondono e i MBHs al loro interno si incontrano? Il nostro gruppo si occupa di sviluppare modelli teorici per la formazione ed evoluzione di MBHs, per interpretare le sempre piu` dettagliate osservazioni che ci vengono dall’universo giovane (per esempio grazie a JWST), per comprendere i processi dinamici che portano alla formazione di binarie di MBHs (MBHBs) e la rilevanza che queste sorgenti hanno per l’osservazione di onde gravitazionali con PTA e LISA.

M. Bonetti, M. Colpi, M. Dotti , A. Sesana

I buchi neri massicci (MBHs) risiedono nei nuclei delle galassie – regioni molto dense, popolate da milioni di stelle e oggetti compatti in un volume molto limitato. A causa delle continue interazioni gravitazionali reciproche, stelle e buchi neri di massa stellare possono passare molto (troppo) vicini al MBH, dando origine  a fenomeni unici e spettacolari come le distruzioni mareali di stelle (tidal disruption events - TDEs), la cattura di buchi neri e il susseguente spiraleggiamento per emissione di onde gravitazionali (fenomeni noti come extreme mass ratio inspirals – EMRIs) o l’emissione quasi periodica di radiazione dovuta all’impatto di questi oggetti con un disco di accrescimento (quasi periodic eruptions – QPEs). Questi fenomeni hanno importanti implicazioni sia per LISA che per le future ‘time domain surveys’, come per esempio quella che verrà condotta dal Vera Rubin Observatory. Il nostro gruppo è uno dei più apprezzati a livello mondiale nello studio teorico di questi fenomeni.

M. Bonetti, R. Buscicchio, M. Colpi, M. Dotti, A. Sesana

Il Laser Interferometer Space Antenna (LISA) e` attualmente il piu` importante progetto dell’agenzia spaziale eruopea (ESA). Ora in fase di costruzione, LISA volerà intorno al 2035 e ci svelerà l’universo delle onde gravitazionali alle frequenze del milli Hz, che sono le piu` ricche di sorgenti: da binarie di buchi neri supermassicci, ad extreme mass ratio inspirals, da buchi neri stellari a binarie di nane bianche nella nostra galassia. Identificare, separare ed interpretare questa miriade di sorgenti nei dati LISA e` un compito altamente complesso ed esiste un team europeo di piu` di cento scienziati che si occupa dello sviluppo delle pipeline necessarie per estrarre la massima scienza dai dati. Il nostro gruppo fa parte di questo team e sviluppa tecniche originali per l’analisi dei dati LISA, affiancando intelligenza artificiale e machine learning alle tecniche più tradizionali.

Davide Gerosa (www.davidegerosa.com)

Le prime rivelazioni di merger di buchi neri da parte degli interferometri LIGO e Virgo hanno segnato l’inizio di una nuova era per l’astronomia gravitazionale. Con strumenti sempre più sensibili e collaborazioni internazionali in continua espansione, ci si aspetta di osservare migliaia di eventi nei prossimi anni. Queste osservazioni promettono scoperte rivoluzionarie sia nella fisica fondamentale—come i test della relatività generale in regime di campo forte—sia in astrofisica, con l’obiettivo di ricostruire l’origine e l’evoluzione degli oggetti compatti lungo la storia cosmica.

Questo flusso di dati in rapida crescita richiede strumenti teorici e computazionali altrettanto sofisticati. La modellizzazione accurata dei segnali, unita a metodi statistici robusti e tecniche di machine learning, è fondamentale per estrarre appieno le informazioni scientifiche contenute negli eventi osservati. Il mio gruppo lavora all’intersezione tra fenomenologia delle onde gravitazionali, inferenza e scienza dei dati, con un forte accento sullo sviluppo di algoritmi innovativi da applicare ai dati reali e simulati.

Guardando al futuro, i rivelatori di prossima generazione—come la missione spaziale LISA e gli osservatori terrestri Einstein Telescope e Cosmic Explorer—amplieranno enormemente la nostra finestra osservativa: dai buchi neri di massa stellare alle fusioni tra oggetti supermassicci e oltre. Questi strumenti esploreranno nuove popolazioni di sorgenti e epoche cosmologiche ancora sconosciute, aprendo la strada all’astronomia gravitazionale multi-banda e a test della gravità senza precedenti.

Gli studenti che si uniranno al nostro gruppo contribuiranno a questi sforzi sviluppando nuovi modelli, eseguendo simulazioni su larga scala e costruendo pipeline di analisi per interpretare i dati gravitazionali presenti e futuri. Il lavoro è fortemente interdisciplinare e offre opportunità di formazione in metodi statistici, machine learning, fisica computazionale e modellizzazione astrofisica—posizionando gli studenti all’avanguardia in questo campo in rapida evoluzione. Per possibili tesi a livello triennale, magistrale o di dottorato, non esitate a contattarmi: davide.gerosa@unimib.it.

G. Coppi, M. Gervasi, F. Nati, M. Zannoni

Il gruppo di Cosmologia Sperimentale (Experimental Cosmology) del Dipartimento di Fisica dell’Università di Milano-Bicocca è attivo nelle misure e osservazioni della Radiazione Cosmica di Fondo (CMB), dell’emissione polarizzata galattica, delle strutture cosmiche su larga scala, degli ammassi di galassie e dei raggi cosmici. 

La CMB è la radiazione fossile dell’Universo primordiale formatasi quando il cosmo era un plasma estremamente caldo e denso. Minuscole fluttuazioni nell’intensità e polarizzazione della CMB racchiudono informazioni sull’origine, la composizione e l’evoluzione dell’universo. Oggi, osservazioni ad alta precisione del fondo di microonde permettono test stringenti del modello standard della cosmologia e aprono possibilità di esplorare nuova fisica.

Le nostre attività attuali si concentrano sulla rilevazione delle onde gravitazionali primordiali attraverso deboli segnali rintracciabili nelle mappe di polarizzazione della CMB. Con queste osservazioni è possibile misurare diversi altri effetti, quali la determinazione della somma delle masse dei neutrini, l’indagine di possibili deviazioni dai modelli inflazionari standard e il miglioramento della comprensione delle emissioni galattiche e dei meccanismi di formazione stellare.

Le principali attività del gruppo sono dedicate alla realizzazione di strumenti per l’osservazione della CMB da terra per i quali forniamo sottosistemi fondamentali come l’elettronica di lettura (LSPE-STRIP, COSMO) e dispositivi ottici (QUBIC, BLAST). Per le osservazioni dallo spazio siamo presenti con ruoli di responsabilità nella missione spaziale LiteBIRD per la quale forniamo il front-end di elettronica di lettura dei rivelatori superconduttivi e ci occupiamo delle simulazioni degli effetti dei raggi cosmici sui rivelatori.

Il gruppo ha inoltre un ruolo di leadership in POLOCALC, un progetto finanziato dall’ERC che mira a sviluppare sorgenti a microonde trasportate da droni per la calibrazione dei più avanzati esperimenti da terra sulla CMB come il Simons Observatory e CMB-S4. 

Grazie alle competenze descritte coordiniamo o contribuiamo alla progettazione, integrazione, analisi dati e definizione degli obiettivi scientifici dei più avanzati telescopi al mondo, attraverso un’ampia rete di collaborazioni internazionali. Queste attività consentono di affrontare alcune delle domande fondamentali della fisica e della cosmologia

Oltre alla cosmologia della CMB, il gruppo partecipa all’esperimento AMS-02 sulla Stazione Spaziale Internazionale, studiando la composizione dei raggi cosmici e cercando tracce di materia oscura e antimateria di origine cosmologica. Inoltre la distribuzione in energia e la composizione dei raggi cosmici forniscono importanti informazioni in relazione alle sorgenti di produzione ed accelerazione, al trasporto nel mezzo interstellare ed ai processi di nucleosintesi. 

La nostra ricerca multidisciplinare integra progettazione ottica e in radiofrequenza, sistemi su droni e palloni, criogenia, sviluppo di rivelatori, tecniche di calibrazione, integrazione di sistemi e analisi dei dati.

Nell’ambito dei raggi cosmici, studiamo gli effetti legati alla loro propagazione nello spazio ed in particolare la modulazione solare, con codici numerici ad elevate prestazioni. Inoltre. ci interessa l’impatto che hanno le radiazioni energetiche nei dispositivi in uso nelle sonde spaziali (space weather) , inclusi gli apparati scientifici, attraverso programmi in collaborazione con L’Agenzia Spaziale Italiana. Infine, studiamo i meccanismi di emissione delle particelle energetiche da parte del sole, con osservazioni dirette in banda millimetrica (SOLARIS) e con osservazioni della componente particellare dalle regioni polari.