X-ray analysis of local mid-infrared selected Compton-thick AGN candidates

Cosmic X-ray background synthesis models (Gilli 2007) require a significant fraction of obscured AGN, some of which are expected to be heavily obscured (Compton-thick), but the number density of observationally found obscured sources is still an open issue (Vignali 2010, 2014). This thesis work takes advantage of recent NuSTAR data and is based on a multiwavelength research approach. Gruppioni et al. 2016 compared the AGN bolometric luminosity, for a sample of local 12 micron Seyfert galaxies, derived from the SED decomposition to the same quantity obtained by the 2-10 keV luminosity (IPAC-NED). A difference up to two orders of magnitude resulted between these quantities for some sources. Thus, the intrinsic X-ray luminosity obtained correcting for the obscuration may be underestimated. In this thesis we have tested this hypothesis by re-analysing the X-ray spectra of three of the sources (UGC05101, NGC1194 and NGC3079), for which observations from NuSTAR and Chandra and/or XMM-Newton were available. This is meant to extend our analysis to energies above 10 keV and thus estimate the AGN column density as reliable as possible. For spectral fitting we made use of both the commonly used XSPEC package and the two very recent MYtorus and BNtorus physical models. The available wide bandpass allowed us to achieve new and more solid insights into the X-ray spectral properties of these sources. The measured absorption column densities are highly suggestive of heavy obscuration. Once corrected the X-ray AGN luminosity for the obscuration estimated through our spectral analysis, we compared the L(X) values in the 2-10 keV band with those derived from the MIR band, by means of the relation by Gandhi, 2009. As expected, the values derived from this relation are in good agreement with those we measured, indicating that the column densities were underestimated in the previous literature works.

Studio degli indici di Lick come traccianti evolutivi in galassie passive

Le galassie passive sono sistemi dominati da popolazioni stellari vecchie, non mostrano tracce di formazione stellare (spettri compatibili con assenza di righe in emissione e caratterizzati da righe in assorbimento), e ci sono evidenze osservative che indicano che le galassie passive abbiano iniziato ad assemblare la loro massa stellare a z. Gli spettri delle galassie passive conservano traccia dei meccanismi fisici ed evolutivi della loro popolazione stellare. Laddove si hanno a disposizione spettri di buona qualità, ovvero che abbiano un rapporto segnale-rumore elevato, l’informazione contenuta in tali spettri può essere dedotta dalla misura dell’intensità di alcune righe in assorbimento. Burstein et al. (1984) hanno costruito un insieme di indici spettroscopici, chiamato sistema di indici di Lick, i quali misurano l’intensità delle principali righe in assorbimento (nella regione di lunghezze d’onda ottiche tra 4000-6000 Å), in termini di larghezza equivalente. in questa tesi è stato adottato il metodo degli indici di Lick per stimare i parametri evolutivi di un campione di galassie passive. Gli obiettivi principali di questa tesi sono due: 1.) studiare l’evoluzione col redshift dei parametri di età, metallicità totale e abbondanze relative di elementi α rispetto al ferro di un campione di galassie estratto spettroscopicamente dalla SDDS (Moresco et al., 2011). L’obiettivo finale è quello di dedurre informazioni sulla storia di formazione stellare delle galassie del campione. 2.) realizzare una simulazione per valutare la possibilità di misurare gli indici di Lick negli spettri di galassie passive che verranno osservate con la missione futura Euclid. Da questo studio è emerso un chiaro andamento evolutivo del campione in linea con quello previsto dallo scenario evolutivo del mass-downsizing, per il quale la SFH di una popolazione stellare è fortemente vincolata dalla massa della popolazione stessa, nel senso che al crescere della massa la formazione delle galassie passive si colloca in epoche progressivamente più remote, e l’assemblaggio della loro massa stellare avviene in tempi scala via via inferiori. Dalla simulazione è emerso un risultato molto importante che deriva dalla robustezza delle misure del D4000 e riguarda la possibilità di determinare il redshift di galassie a z ≥ 1.5 con Euclid.

Cosmology from probe combination: synergies between the number counts of galaxy clusters and cosmic voids

This Thesis work concerns the complementary study of the abundance of galaxy clusters and cosmic voids identified in cosmological simulations, at different redshifts. In particular, we focus our analyses on the combination of the cosmological constraints derived from these probes, which can be considered statistically independent, given the different aspects of Universe density field they map. Indeed, we aim at showing the orthogonality of the derived cosmological constraints and the resulting impressive power of the combination of these probes. To perform this combination we apply three newly implemented algorithms that allow us to combine independent probes. These algorithms represent a flexible and user-friendly tool to perform different techniques for probe combination and are implemented within the environment provided by the large set of free software C++/Python CosmoBolognaLib. All the new implemented codes provide simple and flexible tools that will be soon applied to the data coming from currently available and next-generation wide-field surveys to perform powerful combined cosmological analyses.

Modelling the Halo mass number counts in modified gravity cosmological scenarios

In this Thesis work we investigate some of different cosmological background scenarios using one of the main probes used in cosmology: the halo mass function. The observed abundance of galaxy clusters (or similarly DM haloes) can indeed be compared to its theoretical predictions to derive fundamental constrains on the cosmological scenario assumed. Given the importance of exploring and constraining models degenerate with the ΛCDM one, we test the applicability of some notable halo mass function models to these scenarios. To this purpose, we made use of the DUSTGRAIN-pathfinder N-body simulations, which assume cosmological scenarios that include modified gravity in the form of f(R) models and massive neutrinos. We carried on the analysis of 3 simulation snapshots at different redshifts, z = 0, 0.5, 1, building multiple samples of dark matter haloes by applying different overdensity thresholds during the procedure of halo identification. We started our analysis by considering the halo mass function model introduced by Despali et al. (2016), who proposed a parametrization that encapsulates the effect of the different halo mass definitions and the relative evolution with the redshift. We calibrated the main parameters of this relation by using the ΛCDM halo catalogues extracted from the DUSTGRAIN-pathfinder simulations, fitting the measured halo abundances at all redshifts and density thresholds. Afterwards we tested the same model parametrization with halo catalogues extracted from the simulations implementing both modified gravity and massive neutrinos. We repeated therefore the calibration procedure on these data to search for discrepancies with respect to the ΛCDM model. Finally we focused the analysis on the cosmological models implementing modified gravity only. We took our ΛCDM calibrated halo mass function and we modified it with the additional f (R) gravity form proposed by Gupta et al. (2022).

Investigating the origin of radio emission from the intra-cluster bridge A399-A401

Radio bridges are a newly observed class of phenomena, they are large scale filamentary structures that span between pairs of clusters in a pre-merger phase. In my Thesis, starting from the observed synchrotron emission in the bridge A399-A401, I apply a Fermi I shock re-acceleration model under different conditions to the bridge. The purpose of my work is to check the likelihood of the above mentioned model. In particular the Inverse Compton emission that the model predicts is above the current observational constraints on Inverse Compton for the bridge A399-A401, this means that a Fermi I re-acceleration model is unlikely to describe the emission from the bridge, while a Fermi II turbulent re-acceleration model could still explain the origin of the emission in the bridge.

Georges Lemaître: a visionary contribute to the quest of the world model

The aim of this dissertation is to present the sequence of events which brought the scientific community of the early 20th century to conceive an expanding Universe born from a single origin. Among the facts here reported, some are well-known, some others instead are little-known backstories, not so easy neither to obtain nor to trust. Indeed, several matters shown in this thesis, now as then, create a battleground among scientists. Amid the numerous personalities whose contributions are discussed in this work, the main protagonist is surely Georges Lemaître, who managed to combine – without overlapping – his being both a priest and a scientist. The first chapter is dedicated to his biography, from his childhood in Belgium, to his early adulthood between England and the USA, to his success in the scientific community. The second and the third chapter explain how the race to the understanding of a Universe which not only expands, but also originated from a singularity, developed. The Belgian priest’s discoveries, as shown, were challenged by other important scientists, who, in several cases, Lemaître had a friendly relationship with. As a consequence, the fourth and final chapter deals with the multiple relations that the priest managed to build, thanks to his politeness and kindness. Moreover, it is also covered Lemaître’s personal connection with the Church and religion, without forgetting the personalities that influenced him – above all, Saint Thomas Aquinas. As a conclusion to this thesis, two appendices gather not only a summary of Lemaître’s works which are not already described in the chapters, but also the biographies of all the characters presented in this dissertation.

Exploiting the clustering of cosmic voids as a novel cosmological probe

The investigations of the large-scale structure of our Universe provide us with extremely powerful tools to shed light on some of the open issues of the currently accepted Standard Cosmological Model. Until recently, constraining the cosmological parameters from cosmic voids was almost infeasible, because the amount of data in void catalogues was not enough to ensure statistically relevant samples. The increasingly wide and deep fields in present and upcoming surveys have made the cosmic voids become promising probes, despite the fact that we are not yet provided with a unique and generally accepted definition for them. In this Thesis we address the two-point statistics of cosmic voids, in the very first attempt to model its features with cosmological purposes. To this end, we implement an improved version of the void power spectrum presented by Chan et al. (2014). We have been able to build up an exceptionally robust method to tackle with the void clustering statistics, by proposing a functional form that is entirely based on first principles. We extract our data from a suite of high-resolution N-body simulations both in the LCDM and alternative modified gravity scenarios. To accurately compare the data to the theory, we calibrate the model by accounting for a free parameter in the void radius that enters the theory of void exclusion. We then constrain the cosmological parameters by means of a Bayesian analysis. As far as the modified gravity effects are limited, our model is a reliable method to constrain the main LCDM parameters. By contrast, it cannot be used to model the void clustering in the presence of stronger modification of gravity. In future works, we will further develop our analysis on the void clustering statistics, by testing our model on large and high-resolution simulations and on real data, also addressing the void clustering in the halo distribution. Finally, we also plan to combine these constraints with those of other cosmological probes.

Back-in-time void finder: dynamical detection of cosmic voids for precision cosmology

Cosmic voids are vast and underdense regions emerging between the elements of the cosmic web and dominating the large-scale structure of the Universe. Void number counts and density profiles have been demonstrated to provide powerful cosmological probes. Indeed, thanks to their low-density nature and they very large sizes, voids represent natural laboratories to test alternative dark energy scenarios, modifications of gravity and the presence of massive neutrinos. Despite the increasing use of cosmic voids in Cosmology, a commonly accepted definition for these objects has not yet been reached. For this reason, different void finding algorithms have been proposed during the years. Voids finder algorithms based on density or geometrical criteria are affected by intrinsic uncertainties. In recent years, new solutions have been explored to face these issues. The most interesting is based on the idea of identify void positions through the dynamics of the mass tracers, without performing any direct reconstruction of the density field. The goal of this Thesis is to provide a performing void finder algorithm based on dynamical criteria. The Back-in-time void finder (BitVF) we present use tracers as test particles and their orbits are reconstructed from their actual clustered configuration to an homogeneous and isotropic distribution, expected for the Universe early epoch. Once the displacement field is reconstructed, the density field is computed as its divergence. Consequently, void centres are identified as local minima of the field. In this Thesis work we applied the developed void finding algorithm to simulations. From the resulting void samples we computed different void statistics, comparing the results to those obtained with VIDE, the most popular void finder. BitVF proved to be able to produce a more reliable void samples than the VIDE ones. The BitVF algorithm will be a fundamental tool for precision cosmology, especially with upcoming galaxy-survey.

Analytic models of self-gravitating rotating gaseous tori with central black hole

In this thesis project, I present stationary models of rotating fluids with toroidal distributions that can be used to represent the active galactic nuclei (AGN) central obscurers, i.e. molecular tori (Combes et al., 2019), as well as geometrically thick accretion discs, like ADAF discs (Narayan and Yi, 1995) or Polish doughnuts (Abramowicz, 2005). In particular, I study stationary rotating systems with a more general baroclinic distribution (with a vertical gradient of the angular velocity), which are often more realistic and less studied, due to their complexity, than the barotropic ones (with cylindrical rotation), which are easier to construct. In the thesis, I compute analytically the main intrinsic and projected properties of the power-law tori based on the potential-density pairs of Ciotti and Bertin (2005). I study the density distribution and the resulting gravitational potential for different values of α, in the range 2 < α < 5. For the same models, I compute the surface density of the systems when seen face-on and edge-on. I then apply the stationary Euler equations to obtain rotational velocity and temperature distributions of the self-gravitating models in the absence of an external gravitational potential. In the thesis I also consider the power-law tori with the presence of a central black hole in addition to the gas self-gravity, and solving analytically the stationary Euler equations, I compute how the properties of the system are modified by the black hole and how they vary as a function of the black hole mass. Finally, applying the Solberg-Høiland criterion, I show that these baroclinic stationary models are linearly stable in the absence of the black hole. In the presence of the black hole I derive the analytical condition for stability, which depends on α and on the black hole mass. I also study the stability of the tori in the hypothesis that they are weakly magnetized, finding that they are always unstable to this instability.

Modellizzazione dell'evento di microlensing OB171226

Un'anomalia della curva di luce di un evento di microlensing può indicare la presenza di una lente composta da un sistema stella-pianeta. Quindi questo effetto si può utilizzare come tecnica per la ricerca di esopianeti. Partendo dallo studio teorico dei fondamenti del lensing gravitazionale e del microlensing, la tesi di laurea presentata include il lavoro di analisi svolto durante il tirocinio curriculare. Lo scopo di questo lavoro è stato sviluppare un modello per la curva di luce dell'evento OB171226 rilevato nel 2017 dai dati di quattro telescopi terrestri (OGLE e KMTNet) ed uno spaziale (Spitzer), grazie al quale si è visto come questo probabilmente non sia un sistema di tipo planetario ma composto da due stelle compagne di diversa massa. Questa evento era già stato studiato ma lo sviluppo ulteriore fatto è stato modellizzarlo considerando anche il moto orbitale dei due corpi e l'effetto di parallasse da satellite per i dati spaziali.

Parametri cosmologici e loro determinazione

La seguente tesi ha l'obiettivo di inquadrare le grandezze che descrivono l'Universo, i parametri cosmologici, e successivamente presentare alcuni dei metodi per derivarli. Il primo capitolo tratterà le equazioni di Friedmann, introdotte grazie alla metrica di Robertson-Walker, il parametro di espansione a(t), fondamentale per la determinazione dei parametri cosmologici, e infine le geometrie possibili dell'Universo. Il secondo è incentrato sui parametri cosmologici veri e propri, su come vengono ricavati matematicamente e sul modello cosmologico che attualmente riproduce molto bene le osservazioni, il modello Lambda-CDM. Infine, il terzo tratterà di come possono essere ricavati alcuni parametri, dando più spazio alla costante di Hubble, in quanto è al centro di una grande discussione per via della tensione tra le misure ottenute nell'universo locale e quelle che vengono da dati ad alto redshift.

Lo studio dell'ammasso globulare NGC1835 nella Grande Nube di Magellano

La distribuzione del valore del raggio di core rispetto all’età cronologica per gli ammassi globulari della Grande Nube di Magellano (LMC) appare alquanto peculiare, poiché tutti gli ammassi più giovani sono caratterizzati da un raggio di core limitato, mentre quelli più vecchi presentano un ampio intervallo di valori. Questo comportamento, noto come “size-age conundrum”, è stato recentemente attribuito ad un diverso livello di evoluzione dinamica degli ammassi più vecchi, con i sistemi con valori elevati del raggio di core dinamicamente più giovani rispetto a quelli con configurazioni più compatte. È attesa dunque un’anticorrelazione tra il valore del raggio di core e l’età dinamica. Questo lavoro di tesi è stato indirizzato allo studio del sistema NGC1835, un ammasso globulare vecchio e compatto della LMC in grado di fornire un’ulteriore conferma del nuovo scenario. Grazie ad immagini ad alta risoluzione acquisite tramite HST è stato possibile studiarne la popolazione stellare, la struttura, l’età cronologica e il grado di evoluzione dinamica. La stima della sua età cronologica (t=12.5±1 Gyr) ha confermato che si tratta di un sistema stellare molto antico, che si è formato all’epoca di formazione della LMC. Il profilo di densità e di brillanza superficiale sono stati utilizzati per derivare le principali caratteristiche strutturali dell’ammasso, come il raggio di core rc e il raggio a metà massa rh. Infine l’età dinamica è stata calcolata tramite il parametro A+, che misura il grado di segregazione radiale delle Blue Straggler Stars. NGC1835 è risultato l’ammasso più compatto (rc=3.60’’) e dinamicamente evoluto (A+=0.28±0.04) finora studiato nella LMC e, inserendosi con precisione all’interno dell’anticorrelazione aspettata tra il raggio di core e A+, ha ulteriormente supportato lo scenario secondo cui il livello di compattezza di un sistema dipende dal suo stadio di evoluzione dinamica.

Dynamics of galaxies in the cluster environment: a resonant origin for the ISP?

The internal dynamics of elliptical galaxies in clusters depends on many factors, including the environment in which the galaxy is located. In addition to the strong encounters with the other galaxies, we can also consider the gravitational interaction with the ubiquitous Cluster Tidal Field (CTF). As recognized in many studies, one possible way in which CTF affects the dynamics of galaxies inside the cluster is related to the fact that they may start oscillating as “rigid bodies” around their equilibrium positions in the field, with the periods of these oscillations curiously similar to those of stellar orbits in the outer parts of galaxies. Resonances between the two motions are hence expected and this phenomenon could significantly contribute to the formation of the Intracluster Stellar Population (ISP), whose presence is abundantly confirmed by observations. In this thesis work, we propose to study the motion of an elliptical galaxy, modelled as a rigid body, in the CTF, especially when its center of mass traces a quasi-circular orbit in the cluster gravitational potential. This case extends and generalizes the previous models and findings, proceeding towards a much more realistic description of galaxy motion. In addition to this, the presence of a further oscillation, namely that of the entire galaxy along its orbit, will possibly increase the probability of having resonances and, consequently, the rate of ISP production nearly to observed values. Thus, after reviewing the dynamics of a rigid body in a generic force field, we will assess some physically relevant studies and report their main results, discussing their implications with respect to our problem. We will conclude our discussion focusing on the more realistic scenario of an elliptical galaxy whose center of mass moves on a quasi-circular orbit in a spherically symmetric potential. The derivation of the fundamental equations of motion will serve as the basis for future modelling and discussions.

La divulgazione dell'astronomia in Italia: il caso del passaggio della Cometa di Halley

Negli ultimi decenni, nella storia delle scienze si è sviluppato un certo interesse per la comunicazione delle discipline verso un pubblico di non specialisti, indicata come divulgazione scientifica. Spesso tale interesse è limitato al mondo anglosassone, mentre per altri Paesi poco è stato scritto. Per quanto riguarda l’Italia la letteratura è ancora abbastanza confinata ai primi decenni successivi all’unificazione nazionale. Si vuole qui fornire un caso di studio per la divulgazione italiana di inizio Novecento, che permetta di osservare come venivano comunicate l’astronomia e la fisica e come esse interagissero nella diffusione delle nuove idee scientifiche: il passaggio della cometa di Halley del 1910 nelle parole del fisico Augusto Righi e dell’astronomo Elia Millosevich. Per contestualizzarle, si affrontano la storia della divulgazione scientifica, con la specificità italiana, e lo sviluppo avvenuto nell’astronomia a partire dall’Ottocento. Si identificano successivamente i criteri di analisi applicati ai testi considerati, partendo dalla letteratura di ricerca in storia e sociologia della scienza. Si traccia poi l’evolversi delle conoscenze sulle comete al passare dei secoli. Si affronta il contesto storico, sociale e culturale in cui si muovono Millosevich e Righi. Di quest’ultimo, fisico bolognese di rilevanza internazionale, si abbozza una breve biografia. Sono poi esposti l’analisi e il confronto dei testi “Sulle comete e in ispecial modo sulla cometa di Halley” di Elia Millosevich e “Comete ed elettroni” di Augusto Righi e si propone uno spunto per possibili studi futuri riguardanti i cambiamenti nella comunicazione scientifica avvenuti nel corso del ventesimo secolo, col ritorno del 1986 della cometa. Infine, nelle Appendici si trovano vari approfondimenti. Nell’affrontare le differenti contestualizzazioni storiche e scientifiche si fa uso sia di letteratura di ricerca che di fonti primarie, risalenti ai diversi periodi considerati.

Misura della non-linearità nella risposta dello scintillatore GAGG:Ce per la missione HERMES

HERMES (High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites) è una missione basata su una costellazione di nano-satelliti in orbita terrestre bassa, ospitanti rivelatori di raggi X e gamma, avente l'obiettivo di indagare l'emissione di Gamma Ray Burst (GRB). Si tratta di un insieme di spettrografi ad alta risoluzione temporale, attivi nella banda 3–2000 keV, che operando congiuntamente sono in grado di localizzare eventi transienti. Questo esperimento fornirà un metodo veloce e complementare alla rivelazione di onde gravitazionali per l'osservazione di eventi brillanti come i GRB nell'ambito dell'astrofisica multimessaggero. Il rivelatore di ogni nano-satellite di HERMES è composto da Silicon Drift Deterctors (SDD) collegati otticamente a cristalli scintillatori di tipo GAGG:Ce. Il GAGG:Ce è uno scintillatore inorganico di nuova generazione (sviluppato attorno al 2012). L'obiettivo di questa tesi è studiare la risposta, in termini di ampiezza assoluta e uscita luce, del GAGG:Ce accoppiato a una SDD, concentrandosi nello studio della risposta non lineare dello scintillatore, dovuta al K-edge del gadolinio all'energia di 50.23 keV, per contribuire all'ottimizzazione della calibrazione strumentale per il satellite HERMES. Per l'esperimento sono stati usati tre diversi campioni di scintillatore GAGG:Ce. L'esperimento si è basato sull'osservazione di sorgenti radioattive di calibrazione e di un fascio monocromatico di fotoni X, prodotto attraverso il generatore disponibile presso la facility LARIX-A dell'Università di Ferrara, con un rivelatore composto dallo scintillatore in analisi letto con una SDD. L'intervallo di energie scelto per il fascio monocromatico è di 20-160 keV, mentre i radioisotopi consentono di acquisire dati anche ad energie maggiori. La risposta dello scintillatore è stata quindi studiata dalla minima energia rivelabile (20-40 keV) all'energia della riga del 137Cs a 661.65 keV.