An X-ray study of CIV-selected AGN in the COSMOS field

Negli ultimi vent’anni innumerevoli sforzi sono stati compiuti a livello internazionale per ottenere un censimento completo degli “Active Galactic Nuclei” (AGN), ovvero di nuclei galattici attivi, oscurati in banda X. Tale censimento potrebbe rappresentare infatti la soluzione alla problematica del cosiddetto fondo cosmico non risolto in banda X. Gli studi finora condotti sfruttano la forte correlazione fra l'attività del SMBH e l'evoluzione della galassia ospite attraverso osservazioni in banda X hard, nel vicino-medio infrarosso e nell'ottico. Questa tesi si colloca in questo scenario con lo scopo di verificare e confermare l'affidabilità della selezione tramite la riga di emissione del CIV a 1549 Å di AGN oscurati fino a z≈3. Per raggiungere tale obiettivo è stato assunto che il CIV rappresenti un indicatore affidabile della luminosità intrinseca degli AGN e del loro alto potenziale di ionizzazione. Inoltre, allo studio in banda ottica delle sorgenti sono stati associati i dati profondi in banda X per analizzarne le proprietà X e caratterizzarne l’ammontare dell’oscuramento in tale banda in termini di densità di colonna di idrogeno. In particolare, in questo lavoro vengono presentati i risultati dell’analisi in banda X del campione di 192 AGN selezionati nella survey ottica zCOSMOS-Deep, attraverso la riga di emissione del CIV a 1549 Å. Queste 192 sorgenti hanno un redshift medio di 2.2 e una magnitudine media AB in banda B di 23.7. La copertura in banda X del campo selezionato è data dalla survey Chandra COSMOS-Legacy comprendente 4.6 Ms di osservazioni in un’area di 2.2 deg2. I risultati ottenuti in questo progetto di tesi tramite la selezione possono ritenersi soddisfacenti: metà delle AGN di Tipo 2 selezionate con il CIV e rilevate in banda X risultano fortemente oscurate (NH>10^23 cm^(-2) ). Inoltre, le AGN di Tipo 2 non rilevate in banda X risultano consistenti con uno scenario di oggetti oscurati.

A study of extended radio galaxies in the Shapley concentration core

Extended cluster radio galaxies show different morphologies com- pared to those found isolated in the field. Indeed, symmetric double radio galaxies are only a small percentage of the total content of ra- dio loud cluster galaxies, which show mainly tailed morphologies (e.g. O’Dea & Owen, 1985). Moreover, cluster mergers can deeply affect the statistical properties of their radio activity. In order to better understand the morphological and radio activity differences of the radio galaxies in major mergeing and non/tidal-merging clusters, we performed a multifrequency study of extended radio galax- ies inside two cluster complexes, A3528 and A3558. They belong to the innermost region of the Shapley Concentration, the most massive con- centration of galaxy clusters (termed supercluster) in the local Universe, at average redshift z ≈ 0.043. We analysed low frequency radio data performed at 235 and 610 MHz with Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) and we combined them with proprietary and literature observations, in order to have a wide frequency range (150 MHz to 8.4 GHz) to perform the spectral analysis. The low frequency images allowed us to carry out a detailed study of the radio tails and diffuse emission found in some cases. The results in the radio band were also qualitatively compared with the X-ray information coming from XMM-Newton observations, in order to test the interaction between radio galaxies and cluster weather. We found that the brightest central galaxies (BCGs) in the A3528 cluster complex are powerful and present substantial emission from old relativistic plasma characterized by a steep spectrum (α > 2). In the light of observational pieces of evidence, we suggest they are possible re-started radio galaxies. On the other hand, the tailed radio galaxies trace the host galaxy motion with respect to the ICM, and our find- ings is consistent with the dynamical interpretation of a tidal interaction (Gastaldello et al. 2003). On the contrary, the BCGs in the A3558 clus- ter complex are either quiet or very faint radio galaxies, supporting the hypothesis that clusters mergers quench the radio emission from AGN.

IRAS 00183-7111: ALMA and X-ray view of an ultra luminous infrared galaxy

The aim of this Thesis work is to study the multi-frequency properties of the Ultra Luminous Infrared Galaxy (ULIRG) IRAS 00183-7111 (I00183) at z = 0.327, connecting ALMA sub-mm/mm observations with those at high energies in order to place constraints on the properties of its central power source and verify whether the gas traced by the CO may be responsible for the obscuration observed in X-rays. I00183 was selected from the so-called Spoon diagnostic diagram (Spoon et al. 2007) for mid-infrared spectra of infrared galaxies based on the equivalent width of the 6.2 μm Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) emission feature versus the 9.7 μm silicate strength. Such features are a powerful tool to investigate the contribution of star formation and AGN activity in this class of objects. I00183 was selected from the top-left region of the plot where the most obscured sources, characterized by a strong Si absorption feature, are located. To link the sub-mm/mm to the X-ray properties of I00183, ALMA archival Cycle 0 data in Band 3 (87 GHz) and Band 6 (270 GHz) have been calibrated and analyzed, using CASA software. ALMA Cycle 0 was the Early Science program for which data reprocessing is strongly suggested. The main work of this Thesis consisted in reprocessing raw data to provide an improvement with respect to the available archival products and results, which were obtained using standard procedures. The high-energy data consists of Chandra, XMM-Newton and NuSTAR observations which provide a broad coverage of the spectrum in the energy range 0.5 − 30 keV. Chandra and XMM archival data were used, with an exposure time of 22 and 22.2 ks, respectively; their reduction was carried out using CIAO and SAS software. The 100 ks NuSTAR are still private and the spectra were obtained by courtesy of the PI (K. Iwasawa). A detailed spectral analysis was done using XSPEC software; the spectral shape was reproduced starting from simple phenomenological models, and then more physical models were introduced to account for the complex mechanisms that involve this source. In Chapter 1, an overview of the scientific background is discussed, with a focus on the target, I00183, and the Spoon diagnostic diagram, from which it was originally selected. In Chapter 2, the basic principles of interferometry are briefly introduced, with a description of the calibration theory applied to interferometric observations. In Chapter 3, ALMA and its capabilities, both current and future, are shown, explaining also the complex structure of the ALMA archive. In Chapter 4, the calibration of ALMA data is presented and discussed, showing also the obtained imaging products. In Chapter 5, the analysis and discussion of the main results obtained from ALMA data is presented. In Chapter 6, the X-ray observations, data reduction and spectral analysis are reported, with a brief introduction to the basic principle of X-ray astronomy and the instruments from which the observations were carried out. Finally, the overall work is summarized, with particular emphasis on the main obtained results and the possible future perspectives.

Angular momentum of S0 galaxies

The aim of this thesis is to study the angular momentum of a sample of S0 galaxies. In the quest to understand whether the formation of S0 galaxies is more closely linked to that of ellipticals or that of spirals, our goal is to compare the amount of their specific angular momentum as a function of stellar mass with respect to spirals. Through kinematic comparison between these different classes of galaxies we aim to understand if a scenario of passive evolution, in which the galaxy’s gas is consumed and the star formation is quenched, can be considered as plausible mechanism to explain the transformation from spirals to S0s. In order to derive the structural and photometric parameters of galaxy sub-components we performed a bulge-disc decomposition of optical images using GALFIT. The stellar kinematic of the galaxies was measured using integral field spectroscopic data from CALIFA survey. The development of new original software, based on a Monte Carlo Markov Chain algorithm, allowed us to obtain the values of the line of sight velocity and velocity dispersion of disc and bulge components. The result that we obtained is that S0 discs have a distribution of stellar specific angular momentum that is in full agreement with that of spiral discs, so the mechanism of simple fading can be considered as one of the most important for transformation from spirals to S0s.

High resolution study of narrow tailed radio galaxies in clusters

Clusters of galaxies are the most massive and large gravitationally bounded systems in the whole Universe. Their study is of fundamental importance to constrain cosmological parameters and to obtain informations regarding various kind of emission in different wavebands. In particular, in the radio domain, beside the diffuse emission, the study is focused on the radio galaxies emission. Radio galaxies in clusters can have peculiar morphology, since they interact with the intracluster medium (ICM) in which they are embedded. Particularly, in this thesis we focused our attention on the so-called Narrow-Angle Tailed radio galaxies (NAT), which present radio jets that are bent at extreme angle, up to 90 degrees, from their original orientation. Some NAT show a narrow extended structure and the two radio tails are not resolved even with high resolution radio observations. An example is provided by the source IC310, in the Perseus Cluster, whose structure has been recently interpreted as due to Doppler boosting effects of a relativistic jet oriented at a small angle with respect to the line of sight. If the structure is due to relativistic effects, this implies that the jets are relativistic at about 400 kpc from the core, but this is in contrast with unified models, which predict that for low-power radio source (NAT are classified as FRI radio galaxies) the jets decelerate to sub-relativistic speed within a few kpc from the core. To investigate this scientific topic, in this thesis we have analyzed the innermost structure of a sample of eleven radio galaxies showing a very narrow NAT structure. We can conclude that the structure of these radio galaxies is different from that of IC310. These radio galaxies are indeed strongly influenced by environmental effects and are similar to classical NAT sources.

Costruzione di un filtro ottimale per la ricerca di ammassi di galassie in survey fotometriche

Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi che possiamo osservare nell’Universo. La loro formazione deriva direttamente dalla crescita delle perturbazioni primordiali di densità e dal loro conseguente collasso gravitazionale indotto appunto dalla gravità. Gli ammassi di galassie sono molto importanti in Astrofisica in quanto possono essere considerati come dei laboratori per lo studio di molti aspetti fisici legati al gas, all’ICM e all’evoluzione delle galassie. Lo studio degli ammassi di galassie è molto importante anche per la Cosmologia in quanto è possibile effettuare delle stime sui parametri cosmologici ed ottenere dei vincoli sulla geometria dell’Universo andando a valutare la loro massa e la loro distribuzione nell’Universo. Diventa quindi fondamentale l’utilizzo di algoritmi che ci permettano di utilizzare i dati ottenuti dalle osservazioni per cercare ed individuare gli ammassi di galassie in modo tale da definire meglio la loro distribuzione nell’Universo. Le più recenti survey di galassie ci forniscono molteplici informazioni a riguardo delle galassie, come ad esempio la loro magnitudine in varie bande osservative, il loro colore, la loro velocità ecc. In questo lavoro abbiamo voluto testare la performance di un algoritmo Optimal Filtering nella ricerca degli ammassi di galassie utilizzando prima solo l’informazione della magnitudine delle galassie e successivamente anche l’informazione sul loro colore. Quello che abbiamo voluto fare, quindi, è stato valutare se l’utilizzo combinato della magnitudine delle galassie e del loro colore permette all’algoritmo di individuare più facilmente, e in numero maggiore, gli ammassi di galassie.

Modelling the size distribution of cosmic voids

The Standard Cosmological Model is generally accepted by the scientific community, there are still an amount of unresolved issues. From the observable characteristics of the structures in the Universe,it should be possible to impose constraints on the cosmological parameters. Cosmic Voids (CV) are a major component of the LSS and have been shown to possess great potential for constraining DE and testing theories of gravity. But a gap between CV observations and theory still persists. A theoretical model for void statistical distribution as a function of size exists (SvdW) However, the SvdW model has been unsuccesful in reproducing the results obtained from cosmological simulations. This undermines the possibility of using voids as cosmological probes. The goal of our thesis work is to cover the gap between theoretical predictions and measured distributions of cosmic voids. We develop an algorithm to identify voids in simulations,consistently with theory. We inspecting the possibilities offered by a recently proposed refinement of the SvdW (the Vdn model, Jennings et al., 2013). Comparing void catalogues to theory, we validate the Vdn model, finding that it is reliable over a large range of radii, at all the redshifts considered and for all the cosmological models inspected. We have then searched for a size function model for voids identified in a distribution of biased tracers. We find that, naively applying the same procedure used for the unbiased tracers to a halo mock distribution does not provide success- full results, suggesting that the Vdn model requires to be reconsidered when dealing with biased samples. Thus, we test two alternative exten- sions of the model and find that two scaling relations exist: both the Dark Matter void radii and the underlying Dark Matter density contrast scale with the halo-defined void radii. We use these findings to develop a semi-analytical model which gives promising results.

Heavily obscured AGN: an ideal laboratory to study the early co-evolution of galaxies and black holes

Obscured AGN are a crucial ingredient to understand the full growth history of super massive black holes and the coevolution with their host galaxies, since they constitute the bulk of the BH accretion. In the distant Universe, many of them are hosted by submillimeter galaxies (SMGs), characterized by a high production of stars and a very fast consumption of gas. Therefore, the analysis of this class of objects is fundamental to investigate the role of the ISM in the early coevolution of galaxies and black holes. We present a multiwavelength study of a sample of six obscured X-ray selected AGN at z>2.5 in the CDF-S, detected in the far-IR/submm bands. We performed the X-ray spectral analysis based on the 7Ms Chandra dataset, which provides the best X-ray spectral information currently available for distant AGN. We were able to place constraints on the obscuring column densities and the intrinsic luminosities of our targets. Moreover, we built up the UV to FIR spectral energy distributions (SEDs) by combining the broad-band photometry from CANDELS and the Herschel catalogs, and analyzed them by means of an SED decomposition technique. Therefore, we derived important physical parameters of both the host galaxy and the AGN. In addition, we obtained, through an empirical calibration, the gas mass in the host galaxy and assessed the galaxy sizes in order to estimate the column density associated with the host ISM. The comparison of the ISM column densities with the values measured from the X-ray spectral analysis pointed out that the contribution of the host ISM to the obscuration of the AGN emission can be substantial, ranging from ~10% up to ~100% of the value derived from the X-ray spectra. The absorption may occur at different physical scales in these sources and, in particular, the medium in the host galaxy is an ingredient that should be taken into account, since it may have a relevant role in driving the early co-evolution of galaxies with their black holes.

La cinematica nel core dell'ammasso globulare NGC 6266 da osservazioni SINFONI

Lo studio delle regioni più interne degli ammassi globulari risulta fondamentale per la ricerca di buchi neri di massa intermedia (IMBH). La scoperta di tali oggetti avrebbe un impatto sostanziale su un gran numero di problemi astrofisici aperti, dalla formazione dei buchi neri supermassicci, all'interpretazione delle Ultra Luminous X-ray Sources, fino allo studio delle onde gravitazionali. Il presente lavoro di tesi si inserisce all'interno di un progetto osservativo mirato a studiare la dinamica interna degli ammassi globulari e volto ad investigare la presenza di IMBH nel centro di tali sistemi tramite l'analisi sistematica dei profili di dispersione di velocità e di rotazione. In questo elaborato presentiamo lo studio della cinematica del core dell'ammasso globulare NGC 6266, realizzato con lo spettrografo a campo integrale IFU-SINFONI, assistito da un sistema di ottiche adattive. Grazie all'utilizzo dell'ottica adattiva, SINFONI è in grado di realizzare osservazioni ad alta risoluzione spaziale e misurare la velocità radiale di stelle individuali anche nelle regioni più interne degli ammassi globulari, dove le misure spettroscopiche tradizionali falliscono a causa dell'elevato crowding stellare. Questo ci ha permesso di determinare il profilo centrale della dispersione di velocità di NGC 6266 dalla misura delle velocità radiali individuali di circa 400 stelle, localizzate negli 11 arcsec più interni dell'ammasso. Utilizzando dati complementari, provenienti da osservazioni realizzate con lo spettrografo multi-oggetto FLAMES, siamo stati in grado di costruire il profilo di dispersione di velocità di NGC 6266 fino ad una distanza radiale di 250 arcsec. Il profilo di dispersione di velocità osservato permette di escludere la presenza di un IMBH di massa superiore a 2500 masse solari e mostra un calo nella regione centrale, simile a quello rilevato in un numero crescente di ammassi globulari, che potrebbe indicare la presenza di anisotropia tangenziale.

Studio multi-banda dal sub-parsec al kilo-parsec dell'emissione del getto nella radio galassia IC 1531

In questo lavoro di tesi si presenta il primo studio multi-scala e multi-frequenza focalizzato sul getto della radiogalassia IC1531 (z=0.026) con i satelliti Chandra, XMM-Newton e Fermi con l’obiettivo di tracciarne l’emissione alle alte energie; definire i processi radiativi responsabili dell’emissione osservata e stimare i principali parametri fisici del getto; stimare l’energetica del getto alle diverse scale. La sorgente è stata selezionata per la presenza di un getto esteso (≈5’’) osservato in radio e ai raggi X, inoltre, era riportata come possibile controparte della sorgente gamma 3FGLJ0009.6-3211 presente nel terzo catalogo Fermi (3FGL). La presenza di emissione ai raggi γ, confermata dal nostro studio, è importante per la modellizzazione della SED della regione nucleare. L’emissione X del nucleo è dominata da una componente ben riprodotta da una legge di potenza con indice spettrale Γ=2.2. L’analisi dell’emissione in banda gamma ha evidenziato una variabilità su scale di 5 giorni, dalla quale è stato possibile stimare le dimensioni delle regione emittente. Inoltre viene presentato lo studio della distribuzione spettrale dell’energia della regione nucleare di IC 1531 dalla banda radio ai raggi γ. I modelli ci permettono di determinare la natura dell’emissione gamma e stimare la potenza cinetica del getto a scale del su-pc. Gli osservabili sono stati utilizzati per ottenere le stime sui parametri del modello. La modellizzazione così ottenuta ha permesso di stimare i parametri fisici del getto e la potenza trasportata del getto a scale del sub-pc. Le stime a 151MHz suggerisco che il getto abbia basse velocita' (Γ≤7) e angolo di inclinazione rispetto alla linea di vista 10°<ϑ<20°; nel complesso, il trasporto di energia da parte del getto risulta efficiente. L’origine dell’emissione X del getto a grandi scale è consistente con un’emissione di sincrotrone, che conferma la classificazione di IC1531 come sorgente di bassa potenza MAGN.

Analytic modelling of the galactic fountain in the Milky Way potential

Le galassie a spirale, come la Via Lattea, sono caratterizzate dalla presenza di gas freddo e formazione stellare e vengono perciò chiamate star-forming. Per creare nuove stelle è necessaria una sufficiente riserva di gas, la cui disponibilità governa l’evoluzione della galassia stessa. Finora, non è stato individuato con certezza un meccanismo che possa alimentare la formazione di nuove stelle nelle galassie star-forming. Una delle possibili sorgenti di tale gas è l’alone galattico caldo (corona galattica) il cui raffreddamento e successivo accrescimento possono essere stimolati dal processo di fontana galattica. L’esplosione di supernovae porta nubi di gas freddo in orbita al di sopra del disco stellare; queste nubi raggiungono altezze dell’ordine del kiloparsec, interagendo con la corona di gas caldo. Il moto delle nubi all’interno di un mezzo meno denso comporta l’instaurarsi dell’instabilità di Kelvin-Helmholtz, che ’strappa’ gas dalle nubi e causa la condensazione di materia coronale. Quest’ultima viene quindi accresciuta e, ricadendo sul disco, trasferisce nuovo materiale alla galassia e ne alimenta la formazione stellare. Lo scopo di questa tesi è derivare un modello analitico di fontana galattica che consenta di ottenere una formulazione analitica per il tempo orbitale, cioè il tempo richiesto alle nubi per ricadere sul disco galattico. Infatti, più u tempo le nubi impiegano per attraversare il materiale coronale caldo e ricadere sul disco, più materiale viene accresciuto durante l’orbita. Conoscendo i tempi orbitali sarebbe possibile calcolare il tasso di accrescimento legato al fenomeno di fontana e studiarne l’andamento con il raggio del disco. Questo modello potrebbe rivelarsi utile per lo studio dell’impatto della fontana nell’evoluzione globale del disco galattico e della chimica dell’intera galassia.

Investigating the AGN-starburst connection in a nearby Seyfert galaxy with ALMA and multiwavelength data

The astrophysical context in which this thesis project lies concerns the comprehension of the mutual interaction between the accretion onto a Super Massive Black Hole (SMBH) and the Star Formation (SF), that take place in the host galaxy. This is one of the key topic of the modern extragalactic astrophysical research. Indeed, it is widely accepted that to understand the physics of a galaxy, the contribution of a possible central AGN must be taken into account. The aim of this thesis is the study of the physical processes of the nearby Seyfert galaxy NGC 34. This source was selected because of the wide collection of multiwavelength data available in the literature. In addition, recently, it has been observed with the Atacama Large Submillimeter/Millimeter Array (ALMA) in Band 9. This project is divided in two main parts: first of all, we reduced and analyzed the ALMA data, obtaining the continuum and CO(6-5) maps; then, we looked for a coherent explaination of NGC 34 physical characteristics. In particular, we focused on the ISM physics, in order to understand its properties in terms of density, chemical composition and dominant radiation field (SF or accretion). This work has been done through the analysis of the spectral distribution of several CO transitions as a function of the transition number (CO SLED), obtained joining the CO(6-5) line with other transitions available in the literature. More precisely, the observed CO SLED has been compared with ISM models, including Photo-Dissociation Regions (PDRs) and X-ray-Dominated Regions (XDRs). These models have been obtained through the state-of-the-art photoionization code CLOUDY. Along with the observed CO SLED, we have taken into account other physical properties of NGC 34, such as the Star Formation Rate (SFR), the gas mass and the X-ray luminosity.

Le Blue Straggler Stars e le popolazioni multiple in quattro ammassi globulari galattici

In questo elaborato viene presentato lo studio fotometrico di quattro ammassi globulari galattici. I target di questa Tesi fanno parte della HST UV Legacy Survey degli ammassi globulari galattici (Piotto et al. 2015). Nell'ambito di questa survey sono stati osservati, in modo omogeneo, 57 ammassi globulari galattici con il telescopio spaziale Hubble e la camera WFC3, in tre bande fotometriche ultraviolette e blu. Un dataset così composto è adatto a numerosi scopi, tra cui lo studio delle popolazioni calde come le BSS e delle popolazioni multiple. Sono stati selezionati quattro ammassi particolarmente popolosi e tra i più densi del campione, allo scopo di mettere a punto indicatori di evoluzione dinamica e comprendere il ruolo di quest'ultima sulle proprietà delle popolazioni multiple presenti nei sistemi selezionati. Lo studio dell'evoluzione dinamica è stato effettuato tramite la distribuzione radiale delle BSS (Blue Straggler Stars), che è stato dimostrato esserne un efficiente indicatore (Ferraro et al. 2012). I risultati ottenuti evidenziano chiaramente che tutti gli ammassi selezionati si trovano in fasi avanzate di evoluzione dinamica, come suggerito dall'alta densità che li caratterizza. Anche lo studio delle proprietà delle popolazioni multiple, ovvero sottopopolazioni con differenti abbondanze chimiche di elementi leggeri, la cui presenza è stata recentemente osservata negli ammassi globulari, è stato effettuato tramite lo studio della loro distribuzione radiale. Tra i quattro casi analizzati, soltanto M 15 ha mostrato una separazione significativa tra le distribuzioni radiali delle due popolazioni.

Studio delle proprietà in banda X degli AGN a z > 5.5

Si è effettuato lo studio più completo e uniforme delle proprietà X degli AGN ad alto redshift (z>5.5) mai realizzato. Questo studio vuole anche essere un lavoro preliminare per le survey che verranno effettuate con eROSITA e, su tempi più lunghi, con Athena.

Abbondanze chimiche delle Blue Straggler Stars dell'ammasso aperto NGC 188

My Thesis work is aimed at searching for evidence of CO-depletion in the atmosphere of these objects. To this end, I am analyzing high-resolution spectra recently acquired with the spectrograph HDS at the Subaru Telescope. The global sample is composed of 5 BSSs with hot WD companions, 3 additional binary BSSs with no a significant far-UV excess, and one "normal" stars (along the RGB star) needed for comparison. The analysis will provide us with the surface chemical abundances (especially of C and O) of the target stars. The final goal is to verify the expected {chemical signature} and put constraints on its characteristic time scale (for instance, a positive detection in the 5 BSSs with hot companions and a non-detection in the other 3 binary BSSs would imply that CO-depletion is a transient phenomenon, lasting approx 300 Myr only). The analysis will also provide us with the rotational velocities of each target, thus allowing to investigate their kinematical properties and shed new light on their evolutionary path.