Amedeo Balbi

Curriculum vitae e lista completa delle pubblicazioni (pdf).

Articoli scientifici disponibili in formato elettronico: su ArXiv e su ADS.

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Attività di ricerca

La mia attività di ricerca è di tipo teorico e fenomenologico. Partendo da osservazioni astrofisiche e cosmologiche recenti, cerco di ottenere informazioni sui modelli fisici che sono alla base della nostra comprensione dell'universo.

Uno dei modi più efficaci per farlo è studiare la radiazione cosmica di fondo a microonde (il residuo del grande calore seguito al big bang). Negli anni passati, diversi esperimenti ne hanno misurato le proprietà in grande dettaglio. Il primo è stato il satellite COBE della NASA, nel 1992 (cui è stato assegnato il premio Nobel 2006 per la fisica). Attualmente, i risultati più accurati sono quelli ottenuti dal satellite WMAP della NASA.

Al momento, il principale problema aperto in cosmologia è chiarire la natura del 95% del contenuto dell'universo: il 23% di tutto ciò che esiste è materia oscura, necessaria a spiegare le anomalie gravitazionali osservate negli oggetti legati (galassie e ammassi di galassie), mentre il 72% è una ancora più strana energia oscura, che spinge l'espansione dell'universo ad accelerare. L'indagine del "lato oscuro" dell'universo è uno dei miei principali interessi di ricerca.

Più in dettaglio, alcuni dei progetti di ricerca di cui mi sono occupato, o mi sto ancora occupando, sono:

Attività didattica

Insegno, o ho insegnato, i seguenti corsi universitari o di dottorato:

Progetti di ricerca

Cosmologia "real-time"

Si può osservare "in diretta" l'evoluzione dell'universo, seguendo il cambiamento del redshift nel tempo? L'idea, proposta da Sandage negli anni Sessanta, sembrava all'epoca assolutamente fuori portata, ma una rianalisi recente della questione mostra che potremmo essere quasi sul punto di avere le capacità tecnologiche per osservare la dinamica dell'universo su tempi di poche decine di anni. Questa cosmologia "in tempo reale" potrebbe dare informazioni sugli effetti dell'energia oscura sull'espansione dell'universo, ma potrebbe essere usata anche su singoli oggetti legati per studiarne la composizione. È un campo nuovo e molto affascinante, che stiamo esplorando nei suoi vari aspetti.

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Violazioni dell'isotropia

I dati del fondo cosmico di microonde raccolti dal satellite WMAP hanno mostrato tracce di possibili anomalie nella distribuzione delle fluttuazioni di temperatura sul cielo. Ci sono stati molti studi che hanno cercato di chiarire se queste asimmetrie fossero causate semplicemente da errori strumentali o di analisi, o se invece stessero segnalando la presenza di deviazioni dall'isotropia statistica, una delle ipotesi alla base dei modelli cosmologici. La questione è ancora aperta.

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Non gaussianità delle perturbazioni primordiali

I modelli standard di inflazione prevedono che le perturbazioni di densità presenti nell'universo primordiale seguano una statistica di tipo gaussiano. Ma esistono alternative. Se i dati del fondo cosmico di microonde mostrassero davvero tracce di deviazioni dalla statistica gaussiana, si avrebbero quindi interessanti indizi sul meccanismo dettagliato dell'inflazione. Per il momento, i vincoli osservativi lasciano spazio a interpretazioni diverse.

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Energia oscura ed effetto Sachs-Wolfe integrato

Uno dei modi più promettenti per identificare e studiare l'effetto dell'energia oscura sull'evoluzione dell'universo è attraverso le tracce che l'inizio della fase accelerata lascia sul fondo cosmico di microonde (causate da un meccanismo noto come effetto Sachs-Wolfe integrato). Il segnale previsto è molto debole, e l'analisi prevede il confronto incrociato tra i dati del fondo cosmico di microonde e la distribuzione di materia su grande scala. Ma il metodo funziona, e ci ha portato a trovare evidenze indipendenti della presenza di energia oscura.

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Modelli unificati di materia ed energia oscura

Secondo alcuni modelli, le due componenti oscure dell'universo potrebbe essere facce di una stessa medaglia. Le nostre analisi hanno mostrato che le osservazioni cosmologiche attuali non sono in grado di escludere questa possibilità, ma neanche di supportarla rispetto a spiegazioni alternative.

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Energia oscura e quintessenza

Una delle proposte avanzate per spiegare la natura dell'energia oscura è che essa sia causata dalla presenza di un campo fondamentale, chiamato "quintessenza", la cui energia potenziale contribuisce all'energia del vuoto, con risultati del tutto simili a quelli causati da una costante cosmologica. Questi modelli hanno il vantaggio di alleviare il cosiddetto "problema della coincidenza", ovvero il fatto singolare che la densità di energia del vuoto sembra aver iniziato a dominare rispetto alla densità di materia pressapoco nell'epoca attuale.

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Planck

Planck è una missione spaziale dell'ESA, attualmente in corso, progettata per osservare il fondo cosmico di microonde con un dettaglio senza precedenti. Collaboro a Planck dal lontano 1996 (quando era solo un progetto in fase di studio), e negli anni ho contribuito a sviluppare le procedure che saranno utilizzate per analizzarne i dati, e a esplorare quali conseguenze scientifiche saremo in grado di estrarne.

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MAXIMA

MAXIMA è stato un esperimento da pallone che ha prodotto, nel 2000, una delle prime immagini ad alta risoluzione delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo. I risultati di MAXIMA hanno permesso di ottenere precisi vincoli sui modelli cosmologici, mostrando ad esempio che viviamo in un universo piatto. Il comunicato stampa ufficiale di MAXIMA riporta sinteticamente i principali risultati dell'esperimento. Altre informazioni per non specialisti si trovano qui e qui. Articoli generali su MAXIMA sono apparsi su Physics Today e su Scientific American. I risultati di MAXIMA hanno ricevuto una grande attenzione dalla stampa, con articoli su The San Francisco Chronicle, The Economist, The New York Times, The Washington Post e ancora su The New York Times. La trasmissione NOVA della PBS ha dedicato parte di una puntata ai risultati di MAXIMA.

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BOOMERANG

Per un po' ho collaborato alla seconda fase dell'esperimento da pallone BOOMERANG, che era dedicata alla misura della componente polarizzata del fondo cosmico di microonde.

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Analisi dati

Estrarre informazioni cosmologiche dalle osservazioni del fondo cosmico di microonde non è un compito semplice. I dati vanno sottoposti ad analisi sofisticate e piuttosto dispendiose in termini di risorse di calcolo. Negli ultimi anni una parte della mia attività di ricerca si è incentrata sul tentativo di trovare nuovi algoritmi, tecniche di analisi del segnale, e metodi per massimizzare il risultato scientifico delle osservazioni.

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Storia termica dell'universo

L'universo ha attraversato diverse epoche, e le componenti che lo costituiscono hanno subito profonde trasformazioni fisiche, legate alla temperatura del cosmo. Attraverso le osservazioni cosmologiche è possibile gettare uno sguardo alle condizioni fisiche in alcune delle epoche cruciali dello sviluppo dell'universo, come quella in cui sono stati sintetizzati i nuclei degli atomi leggeri, o quella in cui si sono formati atomi di idrogeno neutro, o ancora quella in cui è iniziata la formazione delle prime stelle e galassie.

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© 2013 Amedeo Balbi