X rays from laser-plasma accelerators

Uno dei maggiori obiettivi della ricerca nel campo degli acceleratori basati su interazione laser-plasma è la realizzazione di una sorgente compatta di raggi x impulsati al femtosecondo. L’interazione tra brevi impulsi laser e un plasma, a energie relativistiche, ha recentemente portato a una nuova generazione di sorgenti di raggi x con le proprietà desiderate. Queste sorgenti, basate sulla radiazione emessa da elettroni accelerati nel plasma, hanno in comune di essere compatte, produrre radiazione collimata, incoerente e impulsata al femtosecondo. In questa tesi vengono presentati alcuni metodi per ottenere raggi x da elettroni accelerati per interazione tra laser e plasma: la radiazione di betatrone da elettroni intrappolati e accelerati nel cosiddetto “bubble regime”, la radiazione di sincrotrone da elettroni posti in un ondulatore convenzionale con lunghezza dell’ordine dei metri e la radiazione ottenuta dal backscattering di Thomson. Vengono presentate: la fisica alla base di tali metodi, simulazioni numeriche e risultati sperimentali per ogni sorgente di raggi x. Infine, viene discussa una delle più promettenti applicazioni fornite dagli acceleratori basati su interazione tra laser e plasma: il Free-electron laser nello spettro dei raggi x, capace di fornire intensità 108-1010 volte più elevate rispetto alle altre sorgenti.

Effetti relativistici in astrofisica

La prima parte di questa trattazione è dedicata alla descrizione di due importanti processi di emissione non termici, ovvero la radiazione di Sincrotrone e l’effetto Compton Inverso, poi verranno confrontati e sarà stabilito il limite massimo di temperatura di una radiosorgente. La seconda parte tratta di alcuni effetti che si verificano nel caso di sorgenti in movimento a velocità relativistiche, cioè effetto Doppler relativistico, moti superluminali e Doppler Boosting. Infine mostrerò come questi effetti relativistici, in particolare il Doppler Boosting, in combinazione con l’opacità dei fotoni-γ diano un’evidenza indiretta che per i lampi-γ e in oggetti come i Nuclei Galattici Attivi vi sia emissione di materiale relativistico.

Emissione di sincrotrone ed applicazioni astrofisiche

Una particella carica che si muove in un campo magnetico e` accelerata dalla forza di Lorentz, e di conseguenza emette della radiazione. Quindi si escludo- no a priori i neutroni, che sebbene siano formati da particelle cariche (i quarks) sono globalmente neutre. Per accelerazione, si intende anche solo un’acce- lerazione centripeta di cui risentono le particelle cariche nel campo, sebbene non vi sia una variazione nel modulo della velocita`. In base alla velocita` delle particelle cariche che si muovono nel campo magnetico si possono distinguere radiazione di ciclotrone e di sincrotrone. La radiazione di ciclotrone e` presente quando le particelle cariche hanno velocita` non relativistiche o relativistiche, invece la radiazione di sincrotrone e` presente quando le particelle hanno velo- cita` ultra-relativistiche. Entrambe sono radiazioni che non necessitano dell’equilibrio termico del mez- zo, e sono radiazioni impulsive. Cio` che le distingue, a parte la velocita`, e` la tipologia di impulsi che si misurano. Infatti nel caso del sincrotrone, ove le par- ticelle sono ultra-relativistiche, gli impulsi arrivano molto ravvicinati fra loro. Nel caso del ciclotrone arrivano impulsi meno ravvicinati che coincidono con la frequenza di rotazione nel campo magnetico. In questo elaborato ci si soffermera` esclusivamente sull’emissione di sincro- trone e su alcune applicazioni astrofisiche di questo processo, cercando di dare una trattazione sufficiente, seppur scarna, ai fini di capire un processo fisico molto importante negli ambienti astrofisici.

Collasso gravitazionale e strutture causali

L'obiettivo di questa tesi è quello di studiare la contrazione di una stella che porta alla formazione di un buco nero, per poi fornire un quadro della struttura causale che ne emerge.

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.

Morphological characterization of ZnS thin films for photovoltaic applications

Le celle solari a film sottile sono tra le alternative più promettenti nel campo fotovoltaico. La ricerca di materiali non tossici ed economici per la passivazione delle superfici è di fondamentale importanza. Il presente è uno studio sulla morfologia di film sottili di ZnS. I campioni analizzati sono stati cresciuti tramite DC sputtering a diversa potenza (range 50-150W) per studiare le connessioni tra condizioni di deposizione e proprietà strutturali. Lo studio è stato condotto mediante acquisizione di mappe AFM. E' stata effettuata un'analisi dei buchi (dips) in funzione della potenza di sputtering, per individuare il campione con la minore densità di dips in vista di applicazioni in celle solari a film sottile. I parametri strutturali, quali la rugosità superficiale e la lunghezza di correlazione laterale sono stati determinati con un'analisi statistica delle immagini. La densità e dimensione media dei grani sono state ricavate da una segmentazione delle immagini. Le analisi sono state svolte su due campioni di ZnO per fini comparativi. Tramite EFM sono state ottenute mappe di potenziale di contatto. Tramite KPFM si è valutata la differenza di potenziale tra ZnS e un layer di Al depositato sulla superficie. La sheet resistance è stata misurata con metodo a quattro punte. Dai risultati la potenza di sputtering influenza la struttura superficiale, ma in maniera non lineare. E' stato individuato il campione con la minore rugosità e densità di dips alla potenza di 75 W. Si è concluso che potenze troppo grandi o piccole in fase di deposizione promuovono il fenomeno di clustering dei grani e di aumentano la rugosità e densità di dips. E' emersa una corrispondenza diretta tra morfologia e potenziale di contatto alla superficie. La differenza di potenziale tra Al e ZnS è risultata inferiore al valore noto, ciò può essere dovuto a stati superficiali indotti da ossidi. Il campione risulta totalmente isolante.

I Wormholes ed il loro impiego per il viaggio interstellare

Viaggiare da un punto all'altro dell'universo muovendosi in uno spazio-tempo piatto richiede tempi talmente colossali da risultare impossibile per la nostra razza; pertanto, un viaggio interstellare potrebbe essere realizzato solo per mezzo di topologie relativistiche in grado di accorciare la distanza fra i punti dell'universo. Dopo aver dato una serie di motivazioni per cui i buchi neri ed il ponte di Einstein-Rosen non sono adatti ad essere impiegati viene introdotta una particolare classe di soluzioni, presentata per la prima volta da Michael S. Morris e Kip S. Thorne, delle equazioni di Einstein: essa descrive wormholes i quali, almeno in linea di principio, risultano attraversabili dagli esseri umani in quanto non presentano un orizzonte degli eventi sulla gola. Quest'ultima proprietà, insieme alle equazioni di campo di Einstein, pone dei vincoli piuttosto estremi sul tipo di materiale in grado di dar luogo alla curvatura spazio-temporale del wormhole: nella gola del wormhole la materia deve possedere una tensione radiale di enorme intensità, dell'ordine di quella presente nel centro delle stelle di neutroni più massive per gole con un raggio di appena qualche kilometro. Inoltre, questa tensione dev'essere maggiore della densità di energia del materiale: ad oggi non si conosce alcun materiale con quest'ultima proprietà, la quale viola entrambe le "condizioni sull'energia" alla base di teoremi molto importanti e verificati della relatività generale. L'esistenza di questa materia non può essere esclusa a priori, visto che non esiste prova sperimentale o matematica della sua irrealisticità fisica, ma non essendo mai stata osservata è importante assicurarsi di impiegarne il meno possibile nel wormhole: questo ci porterà a mostrare che i wormholes in cui il materiale esotico presenta una densità di energia negativa per gli osservatori statici sono i più adatti al viaggio interstellare.

Membrane elettrofilate a base di miscele polimeriche per la modifica strutturale di compositi laminati

I compositi laminati presentano problematiche legate alla delaminazione, ovvero al distaccamento delle lamine costituenti, ed allo scarso smorzamento delle vibrazioni (damping). L’obiettivo del presente elaborato di tesi è lo sviluppo e la produzione di membrane nanofibrose prodotte mediante elettrofilatura di blend polimeriche per la modifica strutturale di compositi laminati al fine di migliorarne la proprietà di damping e la resistenza alla delaminazione. Particolare attenzione è stata posta all’ottimizzazione sia dei parametri della soluzione (principalmente concentrazione e sistema solvente) che dei parametri di processo (portata, voltaggio applicato e distanza ago-collettore). La morfologia delle nanofibre è stata osservata mediante microscopia a scansione elettronica (SEM), la quale ha confermato la presenza di nanofibre con diametro nanometrico (200-800 nm), e prive di difetti (beads). Inoltre, le membrane sono state caratterizzate termicamente (TGA e DSC) e meccanicamente (prove di trazione).

Campi magnetici in astrofisica

Circa 2500 anni fa, a Magnesia, l’uomo scopriva la magnetite, un minerale del ferro che ha un contenuto di metallo particolarmente alto. Fu così che l’umanità venne a contatto per la prima volta, più o meno consapevolmente, con gli effetti dei campi magnetici. Già il filosofo greco Talete di Mileto nel VI secolo a.C. descrisse gli effetti di tali pietre, ma l’umanità non smise di esserne affascinata. Un esempio astronomicamente noto di campo magnetico su ampia scala è quello terrestre: il nostro pianeta si può pensare come un grosso magnete con un campo di BE ≈ 0.3...0.5G, che tra le altre cose ci protegge dalle particelle ad altissima energia intrappolandole nelle cosiddette fasce di Van Allen. Vi sono poi campi magnetici molto più intensi, a partire da quelli generati in altri pianeti, come Giove, o di stelle e altri corpi celesti particolarmente densi, che possono raggiungere i 10^15G. Ma i campi magnetici sono largamente diffusi anche in tutto lo spazio interstellare e intergalattico, dove hanno valori molto inferiori, che sfiorano i pochi μG. Come si può intuire, un così ampio spettro di valori si traduce in un’altrettanto ricca gamma di metodi di rilevazione. In particolare, in questo elaborato, ci concentreremo soprattutto sui metodi di studio dei campi magnetici meno intensi, la cui conoscenza si basa sulle proprietà osservabili della radiazione di sincrotrone, principalmente indi- viduabili dai dati radio. Dedichiamo quindi un breve capitolo alla derivazione dello spettro della radiazione suddetta (Capitolo 2), preceduto da un accenno alle proprietà energetiche dei plasmi magnetizzati (Capitolo 1). Ci occupiamo infine per l’intero Capitolo 3 di alcuni tra i più diffusi metodi diagnostici, preferendo, come già anticipa- to quelli che analizzano gli spettri prodotti da elettroni relativistici in moto in campi magnetici, ma attraversando comunque gli effetti dei plasmi magnetizzati sulla propagazione della luce e sulla separazione delle righe spettrali.

Fisica dell'accrescimento

L’accrescimento è un fenomeno di assoluta rilevanza in astrofisica per il fatto di essere uno dei meccanismi di produzione energetica più efficienti conosciuti. Inoltre esso riveste un ruolo fondamentale sia nella caratterizzazione di oggetti astronomici noti come AGN, che per la descrizione di sistemi binari in cui una stella è nella condizione di trasferire parte della propria massa alla compagna. Nell’Introduzione è messa in risalto l’elevata efficienza del processo di accrescimento, soprattutto se confrontata con una delle reazioni termonucleari più celebri come la catena protone-protone. Sono poi mostrati alcuni aspetti qualitativi riguardanti gli AGN e il modo in cui alcune loro particolarità possono essere giustificate proprio grazie ai fenomeni di accrescimento. Il Capitolo 2 è dedicato alla determinazione della luminosità di Eddington, ovvero quel valore limite di luminosità che un corpo in accrescimento può raggiungere e che, se superato, determinata l’innescarsi di processi che portano l’accrescimento a rallentare. All’interno del Capitolo 3 è analizzato il modello di Bondi per l’accrescimento di un oggetto compatto immerso in una distribuzione infinita di gas. Il modello preso in considerazione rappresenta la versione più semplice del modello di Bondi, che fornisce una soluzione idrodinamica e che, tuttavia, presenta ipotesi molto stringenti. Per tale motivo a fine capitolo è stato aggiunto un primo sguardo al problema di Bondi in presenza di electron scattering, andando a vedere il modo in cui questo influenza i risultati classici precedentemente ottenuti. Infine, nel Capitolo 4 è introdotto il problema dell’accrescimento all’interno di sistemi binari in modo da mettere in luce i principali meccanismi che possono dare vita all’accrescimento e le ipotesi sotto le quali questi possono avvenire.

Le onde gravitazionali: dalla geometria differenziale al LIGO

Le onde gravitazionali, la cui prima osservazione diretta risale al 2015, sono una delle predizioni più importanti della Relatività Generale di Einstein. In questo lavoro di tesi triennale si vuole fornire uno studio approfondito di tale fenomeno. A tale scopo la trattazione è stata suddivisa in tre capitoli: Nel primo capitolo si getteranno le basi della geometria differenziale, fondamentale per la formulazione della Relatività Generale, introducendo tutte le nozioni ed i teoremi fondamentali per questa teoria. Nel secondo introdurremo i principi alla base della formulazione della teoria della Relatività Generale. Successivamente scriveremo le equazioni di campo di Einstein e ne ricaveremo una prima soluzione esatta (la soluzione di Schwarzschild). Grazie alle conoscenze che verranno introdotte nei primi due capitoli, nell'ultimo potremo studiare in dettaglio il fenomeno delle onde gravitazionali: come si ricavano a partire dalle equazioni di Einsten, come si propagano, come interagiscono con la materia, come si possono rilevare, ...

Effetti relativistici in astrofisica

Numerosi sono gli effetti astrofisici determinati dal moto relativo tra sorgente e osservatore, i quali pemettono non solo di inferire proprietà cinematiche degli oggetti studiati, ma addirittura caratterizanti della loro struttura e fenomenologia. Nonostante gran parte dei fenomeni in Astrofisica appartengano al regime newtoniano, esistono situazioni in cui si rende necessario l'intervento della relatività di Einstein al fine di comprenderle nella maniera più completa. La branca dell'Astrofisica che si occupa dello studio di questi oggetti tanto peculiari è detta Astrofisica delle alte energie. In seguito verrano presentati i principali strumenti offerti dalla relatività, sia nel caso speciale che in quello più generale, per trattatare effetti quali il beaming, l'effetto doppler, il redshift gravitazionale e il lensing. Per quanto riguarda il beaming e l'effetto doppler, verrà affrontata con particolare riguardo la radiazione di sincrotrone e la sua polarizzazione, come questi influenzano la struttura delle righe del ferro nei dischi di accrescimento in AGN e i moti superluminali. In conclusione si tratteranno i moti superluminali.

Campi magnetici in astrofisica

In ambiente astrofisico, se si parla di campi magnetici, due sono gli elementi che devono sovvenire alla mente: plasma relativistico e radiazione di sincrotrone. L'elaborato vuole illustrare in modo più semplice possibile come si presenta una radiosorgente dal punto di vista magnetoidrodinamico e, più ampiamente, come funziona a livello di interazione elettromagnetica di sincrotrone

Neutron radiation resistance of photomultipliers for the LUCID detector in the ATLAS experiment at LHC

Durante il Long Shutdown 1 di LHC sono stati cambiati i fotomoltiplicatori del rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS. I due modelli candidati per la sostituzione sono stati sottoposti a test di resistenza alla radiazione di gamma e neutroni. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, risposta spettrale, guadagno relativo e assoluto, prima e dopo l’irraggiamento con neutroni. L’unica differenza di rilievo riguarda un aumento della dark current, gli altri parametri non presentano variazioni entro la precisione delle misure. Non ci sono differenze sostanziali tra i due modelli per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni.

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.