L'evoluzione della funzione di massa stellare delle galassie: un test per i modelli della loro formazione

Per lo sviluppo di un modello realistico di formazione ed evoluzione delle galassie è necessario un confronto sistematico con le osservazioni in modo da verificare che i dati vengano ben riprodotti. Lo scopo che si prefigge questo lavoro di Tesi è un confronto tra le caratteristiche delle galassie presenti nei cataloghi simulati (mock), costruiti sulla base di alcuni modelli, e quelle evinte dai dati osservativi di campioni di galassie (surveys) con l'obbiettivo di far luce su quali siano le maggiori discrepanze e quindi sulla direzione in cui i modelli andrebbero perfezionati. Per far questo, si è scelto di far uso della funzione di massa stellare delle galassie (MF), in quanto strumento statistico più indicativo di una popolazione di galassie, considerando sia la totalità delle galassie, sia separatamente le star-forming e le quiescenti. Questo lavoro di Tesi attua un confronto tra le MF a 0

Multifrequency VLBA observations of two compact symmetric objects

In this thesis the results of the multifrequency VLBA observations of the GPS 1944+5448 and the HFP J0111+3906 are presented. They are compact objects smaller than about 100 pc, completely embedded in the host galaxy. The availability of multi-epoch VLBI observations spanning more than 10 years, allowed us to compute the hot spot advance speed in order to obtain the kinematic age of both sources. Both radio sources are young, in agreement with the idea that they are in an early evolutionary stage. The spectral analysis of each source component, such as the lobes, the hot spots, the core and the jets, making a comparison with the theoretical ones is described. In addition the physical parameters derived from VLBA images as the magnetic field, the luminosity, the energy and the ambient medium density of both sources are discussed.

Radio relics and magnetic fields in galaxy clusters

Radio relics are diffuse synchrotron sources generally located in the peripheries of galaxy clusters in merging state. According to the current leading scenario, relics trace gigantic cosmological shock waves that cross the intra-cluster medium where particle acceleration occurs. The relic/shock connection is supported by several observational facts, including the spatial coincidence between relics and shocks found in the X-rays. Under the assumptions that particles are accelerated at the shock front and are subsequently deposited and then age downstream of the shock, Markevitch et al. (2005) proposed a method to constrain the magnetic field strength in radio relics. Measuring the thickness of radio relics at different frequencies allows to derive combined constraints on the velocity of the downstream flow and on the magnetic field, which in turns determines particle aging. We elaborate this idea to infer first constraints on magnetic fields in cluster outskirts. We consider three models of particle aging and develop a geometric model to take into account the contribution to the relic transverse size due to the projection of the shock-surface on the plane of the sky. We selected three well studied radio relics in the clusters A 521, CIZA J2242.8+5301 and 1RXS J0603.3+4214. These relics have been chosen primarily because they are almost seen edge-on and because the Mach number of the shock that is associated with these relics is measured by X-ray observations, thus allowing to break the degeneracy between magnetic field and downstream velocity in the method. For the first two clusters, our method is consistent with a pure radiative aging model allowing us to derive constraints on the relics magnetic field strength. In the case of 1RXS J0603.3+4214 we find that particle life-times are consistent with a pure radiative aging model under some conditions, however we also collect evidences for downstream particle re-acceleration in the relic W-region and for a magnetic field decaying downstream in its E-region. Our estimates of the magnetic field strength in the relics in A 521 and CIZA J2242.8+5301 provide unique information on the field properties in cluster outskirts. The constraints derived for these relics, together with the lower limits to the magnetic field that we derived from the lack of inverse Compton X-ray emission from the sources, have been combined with the constraints from Faraday rotation studies of the Coma cluster. Overall results suggest that the spatial profile of the magnetic field energy density is broader than that of the thermal gas, implying that the ε_th /ε_B ratio decreases with cluster radius. Alternatively, radio relics could trace dynamically active regions where the magnetic field strength is biased high with respect to the average value in the cluster volume.

Non-Gaussianities from a sudden change in the inflaton speed of sound

Il concetto di inflazione e' stato introdotto nei primi anni ’80 per risolvere alcuni problemi del modello cosmologico standard, quali quello dell’orizzonte e quello della piattezza. Le predizioni dei piu' semplici modelli inflazionari sono in buon accordo con le osservazioni cosmologiche piu'recenti, che confermano sezioni spaziali piatte e uno spettro di fluttuazioni primordiali con statistica vicina a quella gaussiana. I piu' recenti dati di Planck, pur in ottimo accordo con una semplice legge di potenza per lo spettro a scale k > 0.08 Mpc−1 , sembrano indicare possibili devi- azioni a scale maggiori, seppur non a un livello statisticamente significativo a causa della varianza cosmica. Queste deviazioni nello spettro possono essere spiegate da modelli inflazionari che includono una violazione della condizione di lento rotolamento (slow-roll ) e che hanno precise predizioni per lo spettro. Per uno dei primi modelli, caratterizzato da una discontinuita' nella derivata prima del potenziale proposto da Starobinsky, lo spettro ed il bispettro delle fluttuazioni primordiali sono noti analiticamente. In questa tesi estenderemo tale modello a termini cinetici non standard, calcolandone analiticamente il bispettro e confrontando i risultati ottenuti con quanto presente in letteratura. In particolare, l’introduzione di un termine cinetico non standard permettera' di ottenere una velocita' del suono per l’inflatone non banale, che consentira' di estendere i risultati noti, riguardanti il bispettro, per questo modello. Innanzitutto studieremo le correzioni al bispettro noto in letteratura dovute al fatto che in questo caso la velocita' del suono e' una funzione dipendente dal tempo; successivamente, cercheremo di calcolare analiticamente un ulteriore contributo al bispettro proporzionale alla derivata prima della velocita' del suono (che per il modello originale e' nullo).

Vincoli cosmologici da supernovae ad alto redshift

Le SNe Ia vengono utilizzate in cosmologia come indicatori di distanza. Nel 1998 due team di ricerca, il Supernova Cosmology Project e l'High-z Supernova Search Team compirono degli studi su un campione di SNe in galassie lontane a z=0.2-0.9. Da questi lavori emerse che le luminosità apparenti erano tipicamente inferiori del 25% rispetto ai valori attesi. Questo indica che tali oggetti si trovano ad una distanza di luminosità superiore a quella prevista da modelli d'Universo dominati da materia. Venne quindi determinata per la prima volta l'evidenza di un Universo in condizione di espansione accelerata. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di analizzare i vincoli cosmologici imposti da SNe Ia ad alto redshift. È stato compiuto uno studio sui moduli di distanza osservativi di un campione di 580 SNe Ia al fine di trovare i parametri cosmologici che meglio descrivono il loro andamento in funzione del redshift nell'ambito dei modelli cosmologici standard con costante cosmologica positiva. Nella prima parte si illustreranno i modelli d’Universo di Friedmann, introducendo i concetti di redshift, di fattore di scala e i vari tipi di distanza. Nella seconda parte si descriverà cosa sono le Supernovae, e in particolare, le SNe di tipo Ia, le proprietà che le rendono candele standard e l'importanza che hanno assunto in cosmologia. Nella terza parte verranno presentanti i risultati prodotti per i due modelli studiati, verrà inoltre discussa la compatibilità con i parametri prodotti nei lavori compiuti dai due team di ricerca.

The velocity dispersion profile of the globular cluster 47Tucanae

Gli ammassi globulari rappresentano i laboratori ideali nei quali studiare la dinamica di sistemi ad N-corpi ed i suoi effetti sull’evoluzione stellare. Infatti, gli ammassi globulari sono gli unici sistemi astrofisici che, entro il tempo scala dell’età dell’Universo, sperimentano quasi tutti i processi di dinamica stellare noti. Questo lavoro di tesi si inserisce in un progetto a lungo termine volto a fornire una dettagliata caratterizzazione delle proprietà dinamiche degli ammassi globulari galattici. In questa ricerca, strumenti di fondamentale importanza sono il profilo di dispersione di velocità del sistema e la sua curva di rotazione. Per determinare le componenti radiali di questi profili cinematici in ammassi globulari galattici è necessario misurare la velocità lungo la linea di vista di un ampio campione di stelle membre, a differenti distanze dal centro. Seguendo un approccio multi-strumentale, è possibile campionare l’intera estensione radiale dell’ammasso utilizzando spettrografi multi-oggetto ad alta risoluzione spettrale nelle regioni intermedie/esterne, e spettrografi IFU con ottiche adattive per le regioni centrali (pochi secondi d’arco dal centro). Questo lavoro di tesi è volto a determinare il profilo di dispersione di velocità dell’ammasso globulare 47 Tucanae, campionando un’estensione radiale compresa tra circa 20'' e 13' dal centro. Per questo scopo sono state misurate le velocità radiali di circa un migliaio di stelle nella direzione di 47 Tucanae, utilizzando spettri ad alta risoluzione ottenuti con lo spettrografo multi-oggetto FLAMES montato al Very Large Telescope dell’ESO. Le velocità radiali sono state misurate utilizzando la tecnica di cross-correlazione tra gli spettri osservati e appropriati spettri teorici, e sono state ottenute accuratezze inferiori a 0.5km/s. Il campione così ottenuto (complementare a quello raccolto con strumenti IFU nelle regioni centrali) è fondamentale per costruire il profilo di dispersione di velocità dell’ammasso e la sua eventuale curva di rotazione. Questi dati, combinati col profilo di densità dell’ammasso precedentemente determinato, permetteranno di vincolare opportunamente modelli teorici come quelli di King (1966) o di Wilson (1975), e di arrivare così alla prima solida determinazione dei parametri strutturali e dinamici (raggi di core e di metà massa, tempo di rilassamento, parametro collisionale, etc.) e della massa totale e distribuzione di massa del sistema.

La popolazione di Blue Straggler Stars in due ammassi globulari della Grande Nube di Magellano

Le Blue Straggler Stars (BSS) sono la popolazione di oggetti esotici piu' comune e numerosa negli ammassi globulari. Nel diagramma colore-magnitudine le BSS definiscono una sequenza più brillante e blu del punto di turn-off della Sequenza Principale, simulando una popolazione più giovane delle stelle dell'ammasso.  Osservazioni hanno dimostrato che le BSS hanno una massa significativamente più grande (1.2-1.7 Msun) di quella delle stelle di un ammasso globulare. Per questa proprietà, la distribuzione radiale delle BSS e' un utile strumento per tracciare empiricamente lo stato di evoluzione dinamica degli ammassi stellari. Il lavoro di tesi si è concentrato sullo studio della popolazione di BSS di due ammassi globulari della Grande Nube di Magellano: NGC2257 e NGC1754. Applicando metodi di indagine già usati per sistemi stellari della Via Lattea, abbiamo derivato le eta' dinamiche di questi due sistemi e le abbiamo confrontate con stime teoriche.

Un nuovo indicatore di segregazione radiale delle blue stragglers

Le blue straggler stars (BSS) sono un importante strumento osservativo per gli studi mirati alla determinazione dell'evoluzione dinamica degli ammassi globulari. La loro distribuzione radiale, influenzata dal fenomeno di segregazione di massa, costituisce un efficace strumento per la determinazione dello stato di rilassamento del sistema. In questo lavoro di tesi sono esplorate le potenzialità di un nuovo indicatore di segregazione centrale delle BSS: la cosiddetta "Area Positiva (A+)", definita come la differenza tra l'area sottesa dalla distribuzione radiale cumulativa delle BSS e quella di una popolazione di riferimento. Per costruzione, questo parametro e` indicatore sensibile del livello di segregazione delle BSS. Il campione di ammassi e` costituito da 18 oggetti di bassa densità e concentrazione recentemente osservati nell'ambito di una survey ultravioletta con la camera WFC3/UVIS (Piotto et al. 2015) e 8 sistemi di densità più elevata, analizzati in lavori precedenti. Per ciascun ammasso sono state selezionate le popolazioni di BSS e di stelle di riferimento lungo la sequenza principale o il ramo delle giganti e sono state costruite le rispettive distribuzioni radiali cumulative, da cui e` stata poi determinata l'Area Positiva. Sono state infine individuate forti correlazioni tra A+ e alcuni parametri strutturali/dinamici degli ammassi, in particolare col tempo di rilassamento e la densita` centrali. Questi risultati dimostrano che il parametro A+ e` un buon misuratore del grado di evoluzione dinamica degli ammassi globulari.

Vincoli cosmologici dalle distorsioni geometriche della funzione di correlazione

L'accurata determinazione dei parametri che costituiscono un modello cosmologico è fondamentale per caratterizzare correttamente l'evoluzione globale dell'universo e per spiegare le sue caratteristiche locali. Per quanto riguarda questo lavoro di Tesi abbiamo studiato l'efficienza di un particolare metodo per la stima del parametro di densità della materia detto test di Alcock-Paczynski. Con tale metodo si studiando le distorsioni geometriche che un’errata assunzione dei parametri cosmologici introduce nella funzione di correlazione a due punti bidimensionale. Abbiamo applicato il test a diversi cataloghi prodotti dalla simulazione Magneticum. In particolare abbiamo studiato come l'efficienza del metodo nel riconoscere il corretto valore del parametro di densità dipenda dal tipo di tracciante considerato, dal redshift d'osservazione e dai metodi di modelizzazione delle distorsioni dovute alla dinamica degli oggetti osservati. Si è potuto osservare come l’efficienza del metodo dipenda dalla densità d’oggetti contenuti nel catalogo (rendendo le galassie il tracciante migliore su cui applicare il test) e dall’ampiezza dell’effetto di distorsione geometrica, massimo per redshift vicini a 1. Abbiamo verificato che considerare come indipendenti le misure effettuate sui cataloghi a diversi redshift migliora l’identificazione del corretto valore del parametro di densità. Nella combinazione delle diverse misure, inoltre, si nota che i contributi meno significativi vengono dai redshift estremi dell’intervallo considerato, ma i singoli risultati, per quanto incerti, non intaccano il risultato finale. Infine si è osservato come ridurre il numero di parametri liberi attraverso i quali si introducono nei modelli le distorsioni dinamiche, in particolar modo gli effetti di distorsione a piccole scale, migliora sensibilmente l’efficacia del metodo.

La cinematica nel core dell'ammasso globulare NGC 6441 da osservazioni SINFONI

In questo elaborato viene presentata l'analisi cinematica delle regioni centrali di NGC 6441, uno degli ammassi globulari più massivi (M ~10^6 Msol) della nostra Galassia. L'ammasso è stato selezionato, insieme ad altri 18, all'interno dell'ESO Large Program “Unveiling the kinematics in the core of high-density globular clusters with SINFONI" (PI: Ferraro) per cercare evidenze di buchi neri di massa intermedia (IMBH), la cui esistenza è ancora controversa. Poichè la misura della dispersione di velocità da spettri integrati può essere affetta dalla contaminazione di poche stelle brillanti, in questo lavoro si sono misurate le velocità radiali (RV) di stelle individuali, utilizzando lo spettrografo IFU SINFONI dell'ESO, dotato di un sistema di ottiche adattive. Sono state misurate le RV di 709 stelle giganti nei primi 17" dal centro, da cui è stato estratto un sotto-campione di alta qualità di circa 200 stelle. Queste misure sono state poi combinate con un campione di RV nelle regioni più esterne dell'ammasso, ottenute con gli spettrografi multi-oggetto KMOS e FLAMES dell'ESO. Tali dati sono stati utilizzati per il calcolo del profilo di dispersione di velocità e per la ricerca di rotazione lungo l'intera estensione radiale nell'ammasso. I risultati ottenuti sembrano escludere sia l'esistenza di un IMBH, che la presenza di forte rotazione interna. Inoltre hanno evidenziato una significativa decrescita della dispersione di velocita` nelle regioni centrali (parzialmente confermata anche da misure di moti propri ottenute con HST), che potrebbe suggerire la presenza di anisotropia tangenziale nel centro del sistema. Un simile comportamento (sebbene di minore entita`) e’ stato evidenziato in altri ammassi, suggerendo che potrebbe trattarsi di una caratteristica comune in questi sistemi stellari.

Ricerca di AGN oscurati nei Chandra Deep Fields

La forma spettrale dell’X-ray background richiede l’esistenza di un grande numero di AGN mediamente oscurati, oltre alla presenza di AGN fortemente oscurati, la cui densità di colonna supera il limite Compton (Nh>10^24 cm^(-2)). A causa della loro natura, questi oggetti risultano di difficile osservazione, per cui è necessario adottare un approccio multi-banda per riuscire a rivelarli. In questo lavoro di tesi abbiamo studiato 29 sorgenti osservate nel CDF-S e 10 nel CDF-N a 0.0710^23, spettro piatto, riga del ferro): a seguito di questa analisi sono state individuate 9 sorgenti che presentano indicazioni di forte oscuramento. Dallo studio del rapporto tra la luminosità X (2-10 keV) e quella MIR (12.3um) dedotta dal SED-fitting, si è ottenuta una conferma della possibile presenza di forte oscuramento nelle 9 sorgenti selezionate a seguito dell’analisi spettrale. Abbiamo inoltre confrontato il tasso di formazione stellare dedotto dalla banda X (0.5-8 keV) e da quella IR (8-1000um) per identificare le sorgenti nelle quali l’emissione da AGN risulta essere dominante. A seguito di questa analisi abbiamo identificato 9 sorgenti (le stesse di cui sopra) con indicazione di forte oscuramento; di queste, 3 mostrano chiare indicazioni della presenza di un AGN Compton Thick (Nh>10^24 cm^(-2), riga del ferro intensa, basso rapporto LX/MIR).

Action-based dynamical models of the Fornax dwarf spheroidal galaxy

Il lavoro presentato in questa Tesi si basa sul calcolo di modelli dinamici per Galassie Sferoidali Nane studiando il problema mediante l'utilizzo di funzioni di distribuzione. Si è trattato un tipo di funzioni di distribuzione, "Action-Based distribution functions", le quali sono funzioni delle sole variabili azione. Fornax è stata descritta con un'appropriata funzione di distribuzione e il problema della costruzione di modelli dinamici è stato affrontato assumendo sia un alone di materia oscura con distribuzione di densità costante nelle regioni interne sia un alone con cuspide. Per semplicità è stata assunta simmetria sferica e non è stato calcolato esplicitamente il potenziale gravitazionale della componente stellare (le stelle sono traccianti in un potenziale gravitazionale fissato). Tramite un diretto confronto con alcune osservabili, quali il profilo di densità stellare proiettata e il profilo di dispersione di velocità lungo la linea di vista, sono stati trovati alcuni modelli rappresentativi della dinamica di Fornax. Modelli calcolati tramite funzioni di distribuzione basati su azioni permettono di determinare in maniera autoconsistente profili di anisotropia. Tutti i modelli calcolati sono caratterizzati dal possedere un profilo di anisotropia con forte anisotropia tangenziale. Sono state poi comparate le stime di materia oscura di questi modelli con i più comuni e usati stimatori di massa in letteratura. E stato inoltre stimato il rapporto tra la massa totale del sistema (componente stellare e materia oscura) e la componente stellare di Fornax, entro 1600 pc ed entro i 3 kpc. Come esplorazione preliminare, in questo lavoro abbiamo anche presentato anche alcuni esempi di modelli sferici a due componenti in cui il campo gravitazionale è determinato dall'autogravità delle stelle e da un potenziale esterno che rappresenta l'alone di materia oscura.

A study of the turbulence of the neutral medium in two nearby spiral galaxies

The width of the 21 cm line (HI) emitted by spiral galaxies depends on the physical processes that release energy in the Interstellar Medium (ISM). This quantity is called velocity dispersion (σ) and it is proportional first of all to the thermal kinetic energy of the gas. The accepted theoretical picture predicts that the neutral hydrogen component (HI) exists in the ISM in two stable phases: a cold one (CNM, with σ~0.8 km/s) and a warm one (WNM, with σ~8 km/s). However, this is called into question by the observation that the HI gas has usually larger velocity dispersions. This suggests the presence of turbulence in the ISM, although the energy sources remain unknown. In this thesis we want to shed new light on this topic. We have studied the HI line emission of two nearby galaxies: NGC6946 and M101. For the latter we used new deep observations obtained with the Westerbork radio interferometer. Through a gaussian fitting procedure, we produced dispersion maps of the two galaxies. For both of them, we compared the σ values measured in the spiral arms with those in the interarms. In NGC6946 we found that, in both arms and interarms, σ grows with the column density, while we obtained the opposite for M 101. Using a statistical analysis we did not find a significant difference between arm and interarm dispersion distributions. Producing star formation rate density maps (SFRD) of the galaxies, we studied their global and local relations with the HI kinetic energy, as inferred from the measured dispersions. For NGC6946 we obtained a good log-log correlation, in agreement with a simple model of supernova feedback driven turbulence. This shows that in this galaxy turbulent motions are mainly induced by the stellar activity. For M 101 we did not find an analogous correlation, since the gas kinetic energy appears constant with the SFRD. We think that this may indicate that in this galaxy turbulence is driven also by accretion of extragalactic material.

Galactic fountain flows in high-resolution hydrodynamical simulations of galaxy disks

Feedback from the most massive components of a young stellar cluster deeply affects the surrounding ISM driving an expanding over-pressured hot gas cavity in it. In spiral galaxies these structures may have sufficient energy to break the disk and eject large amount of material into the halo. The cycling of this gas, which eventually will fall back onto the disk, is known as galactic fountains. We aim at better understanding the dynamics of such fountain flow in a Galactic context, frame the problem in a more dynamic environment possibly learning about its connection and regulation to the local driving mechanism and understand its role as a metal diffusion channel. The interaction of the fountain with a hot corona is hereby analyzed, trying to understand the properties and evolution of the extraplanar material. We perform high resolution hydrodynamical simulations with the moving-mesh code AREPO to model the multi-phase ISM of a Milky Way type galaxy. A non-equilibrium chemical network is included to self consistently follow the evolution of the main coolants of the ISM. Spiral arm perturbations in the potential are considered so that large molecular gas structures are able to dynamically form here, self shielded from the interstellar radiation field. We model the effect of SN feedback from a new-born stellar cluster inside such a giant molecular cloud, as the driving force of the fountain. Passive Lagrangian tracer particles are used in conjunction to the SN energy deposition to model and study diffusion of freshly synthesized metals. We find that both interactions with hot coronal gas and local ISM properties and motions are equally important in shaping the fountain. We notice a bimodal morphology where most of the ejected gas is in a cold $10^4$ K clumpy state while the majority of the affected volume is occupied by a hot diffuse medium. While only about 20\% of the produced metals stay local, most of them quickly diffuse through this hot regime to great scales.

Analisi spettrale in banda X e proprietà multi-frequenza della galassia ULIRG IRAS 13120-5453

L’interruzione dell’attività di formazione stellare nelle galassie attraverso l’azione di venti guidati dalla potenza dell’AGN e/o dall’attività di starburst è una fase prevista da tutti i modelli di coevoluzione tra i buchi neri super massicci e la galassia ospite. La recente scoperta di venti molecolari massivi in alcune ULIRG locali ha fornito una prova forte a favore dell’esistenza del meccanismo di feedback negativo nelle galassie. Ad oggi non è chiaro il ruolo che l'attività di AGN e di starburst hanno nella produzione dei venti: tuttavia, la maggior parte delle ULIRG in cui sono stati osservati i venti molecolari presentano elevati tassi e velocità di outflow, suggerendo che l'AGN giochi un ruolo principale. IRAS 13120-5453 rappresenta un caso particolare: la sua attività e dominata dalla formazione stellare, ma sembra anche ospitare un AGN oscurato al suo interno. Tuttavia, non presenta elevati tassi di outflow e velocità dei venti: non è quindi chiaro quale dei due fenomeni vi sia all'origine. In questo lavoro di tesi si è operata un'analisi multibanda di questa sorgente con lo scopo di studiarne le principali proprietà fisiche. Lo studio in banda X attraverso l'analisi dei dati provenienti dai satelliti XMM-Newton, Chandra e NuSTAR ha permesso di conoscere parametri importanti come il grado di oscuramento della sorgente e la potenza dell'AGN. Con l'analisi in banda IR, è stato possibile conoscere il contributo dell'AGN e della starburst alla luminosità IR e i principali parametri fisici di questa galassia. L’obiettivo di tale lavoro è quello di capire il ruolo svolto da questi due principali fenomeni e quale possa essere la connessione con i venti molecolari.