X-ray properties and evolution of high-redshift AGN, and the gas content of host galaxies

In this thesis, I have investigated the evolution of the high-redshift (z > 3) AGN population by collecting data from some of the major Chandra and XMM-Newton surveys. The final sample (141 sources) is one of the largest selected at z> 3 in the X- rays and it is characterised by a very high redshift completeness (98%). I derived the spectral slopes and obscurations through a spectral anaysis and I assessed the high-z evolution by deriving the luminosity function and the number counts of the sample. The best representation of the AGN evolution is a pure density evolution (PDE) model: the AGN space density is found to decrease by a factor of 10 from z=3 to z=5. I also found that about 50% of AGN are obscured by large column densities (logNH > 23). By comparing these data with those in the Local Universe, I found a positive evolution of the obscured AGN fraction with redshift, especially for luminous (logLx > 44) AGN. I also studied the gas content of z < 1 AGN-hosting galaxies and compared it with that of inactive galaxies. For the first time, I applied to AGN a method to derive the gas mass previously used for inactive galaxies only. AGN are found to live preferentially in gas-rich galaxies. This result on the one hand can help us in understanding the AGN triggering mechanisms, on the other hand explains why AGN are preferentially hosted by star-forming galaxies.

Galaxy evolution in the VIMOS public extragalactic redshift survey (VIPERS)

In this work I present the first measurements of the galaxy stellar mass function (GSMF) from the first public release of the VIPERS catalogue, containing ∼55,000 objects. First, I present the survey design, its scientific goal, the redshift measurements and validation. Then, I provide details about the estimate of galaxy stellar masses, star formation rates, and other physical quantities. I derive the GSMF of different galaxy types (e.g. active and passive galaxies) and as a function of the environment (defined through the local galaxy density contrast). These estimates represent new observational evidence useful to characterise the mechanism of galaxy evolution.

COSMIC-LAB: Terzan 5 as a fossil remnant of the Galactic bulge formation epoch

The formation and evolution of galaxy bulges is a greatly debated topic in modern astrophysics. An approach to address this issue is to look at the Galactic bulge, the closest to us. According to some theoretical models, our bulge built-up from the merger of substructures formed from the instability and fragmentation of a proto-disk in the early phases of Galactic evolution. We may have discovered the remnant of one of these substructures: the stellar system Terzan 5. Terzan 5 hosts two stellar populations with different iron abundances, thus suggesting it once was far more massive than today. Moreover, its peculiar chemistry resembles that observed only in the Galactic bulge. In this Thesis we perform a detailed photometric and spectroscopic analysis of this cluster to determine its formation and evolutionary histories. Form the photometric point of view we built a high-resolution differential reddening map in Terzan 5 direction and we measured relative proper motions to separate its member population from the contaminating field stars. This information represents the necessary work to measure the absolute ages of Terzan 5 populations via the Turn-off luminosity method. From the spectroscopic point of view we measured abundances for more than 600 stars belonging to Terzan 5 and its surroundings in order to build the largest field-decontaminated metallicity distribution for this system. We find that the metallicity distribution is extremely wide (more than 1 dex) and we discovered a third, metal-poor and alpha-enhanced population with average [Fe/H]=-0.8. The striking similarity between Terzan 5 and the bulge in terms of their chemical formation and evolution revealed by this Thesis suggests that Terzan 5 formed in situ with the bulge itself. In particular its metal-poor populations trace the early stages of the bulge formation, while its most metal-rich component contains crucial information on the bulge more recent evolution.

The dynamics of early-type galaxies as a tool to understand their hot coronae and their IMF

Dynamical models of galaxies are a powerful tool to study and understand several astrophysical problems related to galaxy formation and evolution. This thesis is focussed on a particular type of dynamical models, that are widely used in literature, and are based on the solution of the Jeans equations. By means of a numerical Jeans solver code, developed on purpose and able to build state-of-the-art advanced axisymmetric galaxy models, two of the main currently investigated issues in the field of research of early-type galaxies (ETGs) are addressed. The first topic concerns the hot and X-ray emitting gaseous coronae that surround ETGs. The main goal is to explain why flat and rotating galaxies generally exhibit haloes with lower gas temperatures and luminosities with respect to rounder and velocity dispersion supported systems. The second astrophysical problem addressed concerns instead the stellar initial mass function (IMF) of ETGs. Nowadays, this is a very controversial issue due to a growing number of works on ETGs, based on different and independent techniques, that show evidences of a systematic variation of the IMF normalization as a function of galaxy velocity dispersion or mass. These studies are changing the previous opinion that the IMF of ETGs was the same as that of spiral galaxies, and hence universal throughout the whole large family of galaxies.

Improving the cosmic distance ladder. Distance and structure of the Large Magellanic Cloud

The Large Magellanic Cloud (LMC) is widely considered as the first step of the cosmological distance ladder, since it contains many different distance indicators. An accurate determination of the distance to the LMC allows one to calibrate these distance indicators that are then used to measure the distance to far objects. The main goal of this thesis is to study the distance and structure of the LMC, as traced by different distance indicators. For these purposes three types of distance indicators were chosen: Classical Cepheids,``hot'' eclipsing binaries and RR Lyrae stars. These objects belong to different stellar populations tracing, in turn, different sub-structures of the LMC. The RR Lyrae stars (age >10 Gyr) are distributed smoothly and likely trace the halo of the LMC. Classical Cepheids are young objects (age 50-200 Myr), mainly located in the bar and spiral arm of the galaxy, while ``hot'' eclipsing binaries mainly trace the star forming regions of the LMC. Furthermore, we have chosen these distance indicators for our study, since the calibration of their zero-points is based on fundamental geometric methods. The ESA cornerstone mission Gaia, launched on 19 December 2013, will measure trigonometric parallaxes for one billion stars with an accuracy of 20 micro-arcsec at V=15 mag, and 200 micro-arcsec at V=20 mag, thus will allow us to calibrate the zero-points of Classical Cepheids, eclipsing binaries and RR Lyrae stars with an unprecedented precision.

Tracing AGN accretion and star formation in Herschel galaxies

In this Thesis, we study the physical properties and the cosmic evolution of AGN and their host galaxies since z∼3. Our analysis exploits samples of star forming galaxies detected with Herschel at far-IR wavelengths (from 70 up to 500 micron) in different extragalactic surveys, such as COSMOS and the deep GOODS (South and North) fields. The broad-band ancillary data available in COSMOS and the GOODS fields, allows us to implement Herschel and Spitzer photometry with multi-wavelength ancillary data. We perform a multicomponent SED-fitting decomposition to decouple the emission due to star formation from that due to AGN accretion, and to estimate both host-galaxy parameters (such as stellar mass, M* and star formation rate, SFR), and nuclear intrinsic bolometric luminosities. We use the individual estimates of AGN bolometric luminosity obtained through SED-fitting decomposition to reconstruct the redshit evolution of the AGN bolometric luminosity function since z∼3. The resulting trends are used to estimate the overall AGN accretion rate density at different cosmic epochs and to trace the first ever estimate of the AGN accretion history from an IR survey. Later on, we focus our study on the connection between AGN accretion and integrated galaxy properties. We analyse the relationships of AGN accretion with galaxy properties in the SFR-M* plane and at different cosmic epochs. Finally, we infer what is the parameter that best correlates with AGN accretion, comparing our results with previous studies and discussing their physical implications in the context of current scenarios of AGN/galaxy evolution.

Asymmetric drift and halo flattening in disk galaxies

The main result in this work is the solution of the Jeans equations for an axisymmetric galaxy model containing a baryonic component (distributed according to a Miyamoto-Nagai profile) and a dark matter halo (described by the Binney logarithmic potential). The velocity dispersion, azimuthal velocity and some other interesting quantities such as the asymmetric drift are studied, along with the influence of the model parameters on these (observable) quantities. We also give an estimate for the velocity of the radial flow, caused by the asymmetric drift. Other than the mathematical beauty that lies in solving a model analytically, the interest of this kind of results can be mainly found in numerical simulations that study the evolution of gas flows. For example, it is important to know how certain parameters such as the shape (oblate, prolate, spherical) of a dark matter halo, or the flattening of the baryonic matter, or the mass ratio between dark and baryonic matter, have an influence on observable quantities such as the velocity dispersion. In the introductory chapter, we discuss the Jeans equations, which provide information about the velocity dispersion of a system. Next we will consider some dynamical quantities that will be useful in the rest of the work, e.g. the asymmetric drift. In Chapter 2 we discuss in some more detail the family of galaxy models we studied. In Chapter 3 we give the solution of the Jeans equations. Chapter 4 describes and illustrates the behaviour of the velocity dispersion, as a function of the several parameters, along with asymptotic expansions. In Chapter 5 we will investigate the behaviour of certain dynamical quantities for this model. We conclude with a discussion in Chapter 6.

Emissione di sincrotrone e applicazioni astrofisiche

Il processo di radiazione di sincrotrone, così come il Bremsstrahlung, l'Inverse Compton e la Radiazione da Corpo Nero, è uno dei principali elementi che caratterizzano l'astrofisica osservativa, specialmente la Radioastronomia. Lo studio di questa attività risulta essere estremamente interessante poichè si possono avere molte informazioni relative al campo magnetico della sorgente che ha generato l'impulso del sincrotrone stesso.

Extracting evolutionary information from the spectral decomposition of early-type galaxies.

Holding the major share of stellar mass in galaxies and being also old and passively evolving, early-type galaxies (ETGs) are the primary probes in investigating these various evolution scenarios, as well as being useful means to provide insights on cosmological parameters. In this thesis work I focused specifically on ETGs and on their capability in constraining galaxy formation and evolution; in particular, the principal aims were to derive some of the ETGs evolutionary parameters, such as age, metallicity and star formation history (SFH) and to study their age-redshift and mass-age relations. In order to infer galaxy physical parameters, I used the public code STARLIGHT: this program provides a best fit to the observed spectrum from a combination of many theoretical models defined in user-made libraries. the comparison between the output and input light-weighted ages shows a good agreement starting from SNRs of ∼ 10, with a bias of ∼ 2.2% and a dispersion 3%. Furthermore, also metallicities and SFHs are well reproduced. In the second part of the thesis I performed an analysis on real data, starting from Sloan Digital Sky Survey (SDSS) spectra. I found that galaxies get older with cosmic time and with increasing mass (for a fixed redshift bin); absolute light-weighted ages, instead, result independent from the fitting parameters or the synthetic models used. Metallicities, instead, are very similar from each other and clearly consistent with the ones derived from the Lick indices. The predicted SFH indicates the presence of a double burst of star formation. Velocity dispersions and extinctiona are also well constrained, following the expected behaviours. As a further step, I also fitted single SDSS spectra (with SNR∼ 20), to verify that stacked spectra gave the same results without introducing any bias: this is an important check, if one wants to apply the method at higher z, where stacked spectra are necessary to increase the SNR. Our upcoming aim is to adopt this approach also on galaxy spectra obtained from higher redshift Surveys, such as BOSS (z ∼ 0.5), zCOSMOS (z 1), K20 (z ∼ 1), GMASS (z ∼ 1.5) and, eventually, Euclid (z 2). Indeed, I am currently carrying on a preliminary study to estabilish the applicability of the method to lower resolution, as well as higher redshift (z 2) spectra, just like the Euclid ones.

Radio follow-up of the gamma-ray flaring gravitational lens B0218+357

B0218+357 è un blazar soggetto al lensing che si trova a z=0.944. Questo sistema consiste in due componenti compatte (A e B) e un anello di Einstein. Recentemente è stato associato ad una sorgente gamma soggetta a burst osservata con il satellite Fermi-LAT. Questo blazar ha mostrato una forte variabilità in banda γ da agosto a settembre del 2012. Gli episodi di variabilità osservati hanno consentito di misurare per la prima volta in banda gamma il ritardo temporale previsto dalla teoria del lensing gravitazionale. Le osservazioni in banda gamma sono state seguite da un programma di monitoring con il Very Long Baseline Array (VLBA) in banda radio con lo scopo di verificare l’esistenza di una correlazione tra l’emissione nelle due bande. In questa Tesi tali osservazioni radio sono state analizzate con lo scopo di studiare la variabilità di B0218+357 e, quindi, attestare la connessione tra l’emissione alle alte energie e quella in banda radio. L’obiettivo principale di questo lavoro di Tesi è quello di studiare l’evoluzione della densità di flusso, dell’indice spettrale e della morfologia delle immagini A e B e delle loro sottocomponenti. I dati analizzati sono stati ottenuti con l’interferometro VLBA a tre frequenze di osser- vazione: 2.3, 8.4 GHz (4 epoche con osservazioni simultanee alle due frequenze) e 22 GHz (16 epoche). Le osservazioni hanno coperto un periodo di circa due mesi, subito successivo al flare in banda gamma. La riduzione dei dati è stata effettuata con il pacchetto AIPS. Dall’analisi delle immagini, nella componente B è possibile riconoscere la tipica struttura nucleo-getto chiaramente a tutte e tre le frequenze, invece nella componente A questa struttura è identificabile solo a 22 GHz. A 2.3 e 8.4 GHz la risoluzione non è sufficiente a risolvere nucleo e getto della componente A e l’emissione diffusa risulta dominante. Utilizzando il metodo dello stacking sulle immagini a 2.3 GHz, è stato possibile rivelare le parti più brillanti dell’Einstein ring associato a questa sorgente. Questo è stato possibile poiché la sorgente non ha mostrato alcun segno di variabilità significativa né di struttura né di flusso nelle componenti. Quindi dall’analisi delle curve di luce delle due componenti A e B non è emersa una variabilità significativa chiaramente associabile al flare osservato in banda gamma. Per verificare questo risultato, le curve di luce ottenute sono state confrontate con le osservazioni del radio telescopio OVRO (15 GHz) nel periodo corrispondente alle nostre osservazioni. La curva di luce OVRO è risultata in pieno accordo con le curve di luce ottenute durante questo lavoro di tesi e ha confermato che B0218+257 non ha mostrato un’importante attività radio nel periodo delle osservazioni VLBA. In definitiva, la mancanza di variabilità radio associata a quella osservata nei raggi gamma può essere dovuta al fatto che la regione in cui si è originato il flare gamma è otticamente spessa alle lunghezze d’onda radio, oppure non esiste una precisa correlazione tra le due emissioni, rimanendo quindi un problema aperto da investigare.

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 non termica in ammassi di galassie in relazione con la massa del sistema

L'oggetto di studio di questa tesi e' l'analisi degli ammassi di galassie (galaxy clusters) e delle loro proprieta', attraverso un introduttiva analisi morfologica e dinamica, considerazioni sulle proprieta' termiche (con caratteristiche collegate direttamente dalla temperatura), ed infine l'ispezione dei meccanismi che generano le emissioni non termiche e le loro sorgenti. Cercheremo delle relazioni fra le une e le altre. In particolare studieremo specifiche conformazioni del mezzo intergalattico (ICM, intracluster medium) all'interno degli ammassi, quali Aloni, Relitti e Mini Aloni, attraverso le radiazioni che essi sprigionano nella banda dei raggi X e onde radio. Le prime osservazioni sugli ammassi di galassie sono state effettuate gia' alla fine del '700 da Charles Messier, che, al fine di esaminare il cielo alla ricerca di comete, forni un catalogo di 110 oggetti cosmici che, pur apparendo nebulosi per via della limitatezza di risoluzione dei telescopi di allora, non erano sicuramente comete. Fra questi oggetti vi erano anche ammassi di galassie. I primi studi approfonditi si ebbero soltanto con il rapido incremento tecnologico del XX secolo che permise di capire che quelle formazioni confuse altro non erano che agglomerati di galassie. Telescopi piu' grandi, e poi interferometri, radiotelescopi osservazioni agli X hanno sostanzialmente aperto il mondo dell'astrofisica. In particolare Abell stabili' nel primo dopoguerra il primo catalogo di ammassi su determinazione morfologica. Altri astronomi ampliarono poi i parametri di classificazione basandosi su caratteristiche ottiche e meccaniche. Le analisi piu' recenti infine basano le loro conclusioni sullo studio delle bande non ottiche dello spettro, principalmente i raggi X e onde Radio.

High precision radial velocities with giano spectra

Radial velocities measured from near-infrared (NIR) spectra are a potential tool to search for extrasolar planets around cool stars. High resolution infrared spectrographs now available reach the high precision of visible instruments, with a constant improvement over time. GIANO is an infrared echelle spectrograph and it is a powerful tool to provide high resolution spectra for accurate radial velocity measurements of exo-planets and for chemical and dynamical studies of stellar or extragalactic objects. No other IR instruments have the GIANO's capability to cover the entire NIR wavelength range. In this work we develop an ensemble of IDL procedures to measure high precision radial velocities on a few GIANO spectra acquired during the commissioning run, using the telluric lines as wevelength reference. In Section 1.1 various exoplanet search methods are described. They exploit different properties of the planetary system. In Section 1.2 we describe the exoplanet population discovered trough the different methods. In Section 1.3 we explain motivations for NIR radial velocities and the challenges related the main issue that has limited the pursuit of high-precision NIR radial velocity, that is, the lack of a suitable calibration method. We briefly describe calibration methods in the visible and the solutions for IR calibration, for instance, the use of telluric lines. The latter has advantages and problems, described in detail. In this work we use telluric lines as wavelength reference. In Section 1.4 the Cross Correlation Function (CCF) method is described. This method is widely used to measure the radial velocities.In Section 1.5 we describe GIANO and its main science targets. In Chapter 2 observational data obtained with GIANO spectrograph are presented and the choice criteria are reported. In Chapter 3 we describe the detail of the analysis and examine in depth the flow chart reported in Section 3.1. In Chapter 4 we give the radial velocities measured with our IDL procedure for all available targets. We obtain an rms scatter in radial velocities of about 7 m/s. Finally, we conclude that GIANO can be used to measure radial velocities of late type stars with an accuracy close to or better than 10 m/s, using telluric lines as wevelength reference. In 2014 September GIANO is being operative at TNG for Science Verification and more observational data will allow to further refine this analysis.

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.

Coppie di ammassi globulari in lmc

Le Nubi di Magellano sono una coppia di galassie irregolari molto vicine alla nostra. La loro vicinanza le ha rese target ideali per molti studi, tra cui ricerche sulla formazione ed evoluzione di popolazioni stellari. Da questi studi è emerso che una delle principali differenze tra le Nubi e la MW sta nella popolazione di ammassi globulari: circa il 20% degli ammassi di LMC, infatti, appartiene a una coppia. Si tratta di distinguere tra coppie reali o apparenti, cercando sistemi legati. Questo può essere fatto per via spettrometrica (attraverso velocità radiali o composizione chimica) e/o fotometrica (attraverso stima dell'età e profili di densità). In questo lavoro vengono analizzate fotometricamente tre coppie di LMC, al fine di determinarne la natura per migliorare le statistiche esistenti e porre dei constrain sulle conoscenze a disposizione.