Caratteristiche principali dell'emissione di galassie a spirale

Lo spazio fra le stelle nelle galassie non è vuoto, ma è composto da gas rarefatto, particelle di polvere, un campo magnetico, elettroni, protoni e altri nuclei atomici relativistici; spesso questi elementi possono essere considerati come un’unica entità di- namica: il mezzo interstellare o più semplicemente ISM. Nel primo capitolo vedremo come il mezzo si distribuisce generalmente all’interno delle galassie a spirale, in fasce di temperatura sempre minore man mano che ci si allontana dal centro (HIM, WIM, WNM, CNM). La conoscenza della distribuzione del mezzo è utile per poter comprendere maggiormente i processi di emissione e le varie zone in cui questi avvengono in una tipica galassia a spirale, che è lo scopo di questa tesi. L’ISM infatti entra in gioco in quasi tutti i processi emissivi, in tutte le bande di emis- sione dello spettro elettromagnetico che andremo ad analizzare. Il nostro modo di vedere le galassie dell’universo è molto cambiato infatti nel corso dell’ultimo secolo: l’utilizzo di nuovi telescopi ci ha permesso di andare ad osservare le galassie anche in bande dello spettro diverse da quella visibile, in modo da raccogliere informazioni impossibili da ottenere con la sola banda ottica. Nel secondo capitolo andremo ad analizzare cinque bande di emissione (banda X, ot- tica, radio, gamma e infrarossa) e vedremo come appaiono tipicamente le galassie a spirale a lunghezze d’onda differenti, quali sono i processi in gioco e come il mezzo interstellare sia fondamentale in quasi ogni tipo di processo. A temperature elevate, esso è responsabile dell’emissione X della galassia, mentre re- gioni più fredde, formate da idrogeno ionizzato, sono responsabili delle righe di emis- sione presenti nello spettro ottico. Il campo magnetico, tramite le sue interazioni con elettroni relativistici è la principale fonte dell’emissione radio nel continuo di una galas- sia a spirale, mentre quella in riga è dovuta a idrogeno atomico o a gas freddo. Vedremo infine come raggi cosmici e polvere, che fanno sempre parte del mezzo inter- stellare, siano rispettivamente la causa principale dell’emissione gamma e infrarossa.

Observations and modeling of the Marginal Ice Zone

Global climate change in recent decades has strongly influenced the Arctic generating pronounced warming accompanied by significant reduction of sea ice in seasonally ice-covered seas and a dramatic increase of open water regions exposed to wind [Stephenson et al., 2011]. By strongly scattering the wave energy, thick multiyear ice prevents swell from penetrating deeply into the Arctic pack ice. However, with the recent changes affecting Arctic sea ice, waves gain more energy from the extended fetch and can therefore penetrate further into the pack ice. Arctic sea ice also appears weaker during melt season, extending the transition zone between thick multi-year ice and the open ocean. This region is called the Marginal Ice Zone (MIZ). In the Arctic, the MIZ is mainly encountered in the marginal seas, such as the Nordic Seas, the Barents Sea, the Beaufort Sea and the Labrador Sea. Formed by numerous blocks of sea ice of various diameters (floes) the MIZ, under certain conditions, allows maritime transportation stimulating dreams of industrial and touristic exploitation of these regions and possibly allowing, in the next future, a maritime connection between the Atlantic and the Pacific. With the increasing human presence in the Arctic, waves pose security and safety issues. As marginal seas are targeted for oil and gas exploitation, understanding and predicting ocean waves and their effects on sea ice become crucial for structure design and for real time safety of operations. The juxtaposition of waves and sea ice represents a risk for personnel and equipment deployed on ice, and may complicate critical operations such as platform evacuations. The risk is difficult to evaluate because there are no long-term observations of waves in ice, swell events are difficult to predict from local conditions, ice breakup can occur on very short time-scales and wave-ice interactions are beyond the scope of current forecasting models [Liu and Mollo-Christensen, 1988,Marko, 2003]. In this thesis, a newly developed Waves in Ice Model (WIM) [Williams et al., 2013a,Williams et al., 2013b] and its related Ocean and Sea Ice model (OSIM) will be used to study the MIZ and the improvements of wave modeling in ice infested waters. The following work has been conducted in collaboration with the Nansen Environmental and Remote Sensing Center and within the SWARP project which aims to extend operational services supporting human activity in the Arctic by including forecast of waves in ice-covered seas, forecast of sea-ice in the presence of waves and remote sensing of both waves and sea ice conditions. The WIM will be included in the downstream forecasting services provided by Copernicus marine environment monitoring service.

Caratteristiche di emissione delle regioni HII

Le regioni HII sono nubi di idrogeno ionizzato da stelle di recente formazione, massicce e calde. Tali stelle, spesso raggruppate in ammassi, emettono copiosamente fotoni di lunghezza d’onda λ ≤ 912 Å, capaci di ionizzare quasi totalmente il gas che le circonda, composto prevalentemente da idrogeno, ma in cui sono presenti anche elementi ionizzati più pesanti, come He, O, N, C e Ne. Le dimensioni tipiche di queste regioni vanno da 10 a 100 pc, con densità dell’ordine di 10 cm−3. Queste caratteristiche le collocano all’interno del WIM (Warm Ionized Medium), che, insieme con HIM (Hot Ionized Medium), WNM (Warm Neutral Medium) ed CNM (Cold Neutral Medium), costituisce la varietà di fasi in cui si presenta il mezzo interstellare (ISM, InterStellar Medium). Il tema che ci prestiamo ad affrontare è molto vasto e per comprendere a fondo i processi che determinano le caratteristiche delle regioni HII sarebbero necessarie molte altre pagine; lo scopo che questo testo si propone di raggiungere, senza alcuna pretesa di completezza, è dunque quello di presentare l’argomento, approfondendone ed evidenziandone alcuni particolari tratti. Prima di tutto descriveremo le regioni HII in generale, con brevi indicazioni in merito alla loro formazione e struttura. A seguire ci concentreremo sulla descrizione dei processi che determinano gli spettri osservati: inizialmente mostreremo quali siano i processi fisici che generano l’emissione nel continuo, concentrandoci poi su quello più importante, la Bremmstrahlung. Affronteremo poi una breve digressione riguardo al processo di ricombinazione ione-elettrone nei plasmi astrofisici ed alle regole di selezione nelle transizioni elettroniche, concetti necessari per comprendere ciò che segue, cioè la presenza di righe in emissione negli spettri delle regioni foto-ionizzate. Infine ci soffermeremo sulle regioni HII Ultra-Compatte (UC HII Region), oggetto di numerosi recenti studi.