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.

Observability of high density tracing molecular lines in lensed galaxies with the Atacama large millimeter array

Lo scopo di questo lavoro di tesi è indagare le capacità di ALMA di osservare il continuo e le righe molecolari di emissione di HCN, HCO+ e HNC, in galassie lensate ad alto z, nelle prime fasi della loro formazione. Per farlo vengono utilizzate osservazioni ALMA di righe di emissione molecolare, relative a dati pubblici di Ciclo 0. Queste osservazioni vengono utilizzate per simulare in modo realistico l’emissione da parte di galassie ad alto z e la risposta osservativa del telescopio, assumendo diverse possibili geometrie di lensing. Inoltre le recenti osservazioni ALMA sono state utilizzate per aggiornare le relazioni già esistenti tra la luminosità FIR e la luminosità delle righe molecolari. Queste recenti osservazioni con maggiore sensibilità e risoluzione angolare, sembrano essere in buon accordo con le precedenti osservazioni. Per realizzare questo progetto di tesi, sono stati scaricati dall’archivio ALMA i dati non calibrati relativi a due sorgenti ben studiate: NGC1614, rappresentativa delle galassie di tipo starburst ed IRAS 20551-4250, un AGN oscurato. Il processo di calibrazione è stato ripetuto per esaminare le proprietà dei cubi di dati utilizzando il pacchetto Common Astronomy Software Applications (CASA). Le righe spettrali osservate e l’emissione del continuo sono state successivamente estrapolate ad alto z riscalando adeguatamente le distanze, le dimensioni delle sorgenti e le frequenze di emissione. In seguito è stato applicato un modello di lensing gravitazionale basato su quello di Lapi et al. (2012). Sono state considerate diverse configurazioni tra lente e sorgente per ottenere diverse geometrie delle immagini e diversi fattori di amplificazione. Infine stato utilizzato il software CASA per simulare le osservazioni ALMA in modo da verificare le capacità osservative del telescopio al variare della geometria del sistema. Per ogni riga molecolare e per l’emissione del continuo sono state determinate la sensibilit e la risoluzione che possono essere raggiunte con le osservazioni ALMA e sono state analizzate alcune strategie osservative per effettuare survey di righe spettrali in oggetti lensati. Inoltre stata analizzata la possibilit di caratterizzare oggetti starburst ed AGN dai rapporti tra le righe di emissione delle molecole traccianti di alta densit. Le prestazioni di ALMA consentiranno di distinguere e stimare i contributi relativi di SB ed AGN in galassie lensate a z > 2.5, quindi vicine alla loro presunta epoca di formazione (Lapi et al. 2010), in meno di 5 minuti di osservazione per qualsiasi fattore di magnificazione. Nel presente lavoro sono state inoltre discusse alcune strategie osservative per condurre survey o followup per osservare le righe di HCN(4-3), HCO+(4-3) e HNC(4-3) in galassie lensate a redshift 2.5 < z < 3, dimostrando che sono possibili per campioni statisticamente significativi in tempi relativamente brevi.

Emissione di bremsstrahlung e applicazioni astrofisiche

La radiazione elettromagnetica è una singola entità, come si deduce dall’universalità delle leggi di Maxwell, nonostante lo spettro elettromagnetico sia caratterizzato da regioni a cui si associano nomi differenti. Questo implica l’esistenza di un meccanismo fondamentale comune alla base di tutti i processi di radiazione, che si identifica in una carica in moto non uniforme. Infatti una carica stazionaria ha un campo elettrico costante e un campo magnetico nullo, quindi non irradia; lo stesso vale per una carica in moto uniforme. La radiazione di Bremsstrahlung, che avviene nel continuo, spaziando dal radio ai raggi gamma, fu scoperta negli anni ’30 del secolo scorso, in seguito all’osservazione che la perdita di energia che subisce un elettrone attraversando la materia non è data unicamente dalla ionizzazione: l’elettrone, accelerato dal nucleo ionizzato, irradia e, di conseguenza, viene frenato. Letteralmente “Bremsstrahlung“ significa “radiazione di frenamento” e in astrofisica rappresenta il principale meccanismo di raffreddamento di un plasma a temperature molto elevate; nel seguente elaborato tale plasma sarà considerato monoatomico e completamente ionizzato. Dall’analisi dello spettro di Bremsstrahlung si possono rilevare la temperatura e la misura di emissione della nube di gas osservato, che consentono di ricavare la densità, la massa e la luminosità della nube stessa. Nel capitolo 1 vengono riportate la descrizione di questo processo di radiazione e le principali formule che lo caratterizzano, illustrate in ambiente semiclassico (Bremsstrahlung termica) e in ambiente relativistico (Bremsstrahlung relativistica). Nel capitolo 2 segue la trattazione di alcuni esempi astrofisici: le regioni HII; il gas intergalattico degli ammassi di galassie ed emettono principalmente nella banda X; le galassie Starburst; le binarie X; la componente elettronica dei raggi cosmici e i brillamenti solari; infine un accenno agli oggetti di Herbig-Haro.

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.

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.