Il livello del mare visto dai mareografi

I mareografi sono strumenti che misurano il livello del mare in un punto della costa. Tuttavia, essendovi ancorati, essi sono soggetti al suo movimento. Inoltre, il livello del mare è fortemente influenzato da effetti locali. In una prima parte, si è quindi selezionato un insieme di questi in base alla completezza dei dati e a restrizioni geografiche, in modo che nel loro complesso fossero il più possibile rappresentativi della situazione media globale. Di ognuno di essi si sono studiati la monotonicità e l’andamento in due ventenni consecutivi, il primo dal 1980. In questo modo è stato possibile evidenziare, ove presenti, modifiche nel tasso di variazione annuale del livello del mare in ogni località nei due periodi. Studiati i singoli mareografi si è poi proceduto ad effettuarne uno stacking per ottenere una stima meno influenzata da effetti locali. Il test di monotonia identifica in entrambi i casi un chiaro trend crescente. Il risultato della regressione lineare sui due periodi ha fornito tassi pari rispettivamente a (2.1 ± 0.5)mm/yr e (4.7 ± 0.5)mm/yr. Per migliorare la significatività del test di monotonia, si sono poi rimossi i modi semi-periodici mediante il metodo di decomposizione EMD (Empirical Mode Decomposition). Ripetendo la regressione lineare si ottengono risultati simili ma con minore incertezza: (2.3 ± 0.2)mm/yr e (4.9 ± 0.2)mm/yr. Come approccio alternativo, per cercare di superare l’arbitrarietà della scelta dei due archi temporali, si è effettuato un fit quadratico sulle serie dati dal 1980 al 2020. In questi modo, è stato possibile identificare e raggruppare situazioni contraddistinte da andamenti generali simili. In seguito, si è mostrato come, in entrambi i periodi, ci sia una forte correlazione lineare fra i mareografi sulla costa occidentale degli Stati Uniti e fra i mareografi posti nel Mediterraneo. Infine, viene studiato il caso dei mareografi della Laguna Veneta e la loro correlazione con altri posizionati nell'Adriatico settentrionale.

Dinamica dei sistemi collisionali

In questo elaborato viene discussa la dinamica dei sistemi collisionali, la quale non si riferisce alle effettive collisioni fisiche che possono verificarsi seppur raramente in campo astrofisico (Appendice A), ma piuttosto al ruolo dominante ricoperto dagli incontri gravitazionali ravvicinati tra coppie di stelle. Nel Capitolo 1 viene introdotto lo studio della dinamica stellare, viene riportata la definizione di sistema collisionale e la sua distinzione da sistema non collisionale, in cui i moti, invece, sono influenzati dalla forza gravitazionale esercitata da una omogenea distribuzione di massa. Viene accennato, inoltre, il fondamentale Teorema del Viriale. A seguire, nel Capitolo 2, viene proposto il problema dei due corpi, fondamentale per lo sviluppo del calcolo del tempo di rilassamento a due corpi, e viene confrontato quest'ultimo sia con il tempo dinamico che con il tempo di frizione dinamica. Infine, nel Capitolo 3 vengono esposti alcuni esempi di dinamica stellare in astrofisica, come l'evaporazione gravitazionale, il core collapse e la catastrofe gravotermica degli ammassi globulari.

Fisica dell'accrescimento

L’accrescimento è un fenomeno di assoluta rilevanza in astrofisica per il fatto di essere uno dei meccanismi di produzione energetica più efficienti conosciuti. Inoltre esso riveste un ruolo fondamentale sia nella caratterizzazione di oggetti astronomici noti come AGN, che per la descrizione di sistemi binari in cui una stella è nella condizione di trasferire parte della propria massa alla compagna. Nell’Introduzione è messa in risalto l’elevata efficienza del processo di accrescimento, soprattutto se confrontata con una delle reazioni termonucleari più celebri come la catena protone-protone. Sono poi mostrati alcuni aspetti qualitativi riguardanti gli AGN e il modo in cui alcune loro particolarità possono essere giustificate proprio grazie ai fenomeni di accrescimento. Il Capitolo 2 è dedicato alla determinazione della luminosità di Eddington, ovvero quel valore limite di luminosità che un corpo in accrescimento può raggiungere e che, se superato, determinata l’innescarsi di processi che portano l’accrescimento a rallentare. All’interno del Capitolo 3 è analizzato il modello di Bondi per l’accrescimento di un oggetto compatto immerso in una distribuzione infinita di gas. Il modello preso in considerazione rappresenta la versione più semplice del modello di Bondi, che fornisce una soluzione idrodinamica e che, tuttavia, presenta ipotesi molto stringenti. Per tale motivo a fine capitolo è stato aggiunto un primo sguardo al problema di Bondi in presenza di electron scattering, andando a vedere il modo in cui questo influenza i risultati classici precedentemente ottenuti. Infine, nel Capitolo 4 è introdotto il problema dell’accrescimento all’interno di sistemi binari in modo da mettere in luce i principali meccanismi che possono dare vita all’accrescimento e le ipotesi sotto le quali questi possono avvenire.

Teorema del viriale e applicazioni astrofisiche

Il teorema del viriale esprime una delle relazioni più importanti e utilizzate in astrofisica. In questo elaborato il teorema del viriale viene dimostrato in maniera classica per un generico sistema di N corpi, evidenziando in particolare la forma che esso assume in sistemi autogravitanti. Successivamente si forniscono alcune generalizzazioni del teorema e si mostra come esso possa essere dedotto dall’equazione non collisionale di Boltzmann grazie al concetto di funzione di distribuzione. Nella seconda parte della tesi si discutono alcune implicazioni del teorema del viriale per sistemi autogravitanti, quali il meccanismo di Kelvin-Helmholtz nelle stelle e la catastrofe gravotermica negli ammassi globulari. Infine si utilizza il teorema del viriale tensoriale per spiegare come forma, rotazione e anisotropia siano tra loro legate nelle galassie ellittiche.

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.

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.

Calibration of the detector flight models for the HERMES and SPIRIT nanosatellite missions

The High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites (HERMES) is a new mission concept involving the development of a constellation of six CubeSats in low Earth orbit with new miniaturized instruments that host a hybrid Silicon Drift Detector/GAGG:Ce based system for X-ray and γ-ray detection, aiming to monitor high-energy cosmic transients, such as Gamma Ray Bursts and the electromagnetic counterparts of gravitational wave events. The HERMES constellation will also operate together with the Australian-Italian SpIRIT mission, which will house a HERMES-like detector. The HERMES pathfinder mini-constellation, consisting of six satellites plus SpIRIT, is likely to be launched in 2023. The HERMES detectors are based on the heritage of the Italian ReDSoX collaboration, with joint design and production by INFN-Trieste and Fondazione Bruno Kessler, and the involvement of several Italian research institutes and universities. An application-specific, low-noise, low-power integrated circuit (ASIC) called LYRA was conceived and designed for the HERMES readout electronics. My thesis project focuses on the ground calibrations of the first HERMES and SpIRIT flight detectors, with a performance assessment and characterization of the detectors. The first part of this work addresses measurements and experimental tests on laboratory prototypes of the HERMES detectors and their front-end electronics, while the second part is based on the design of the experimental setup for flight detector calibrations and related functional tests for data acquisition, as well as the development of the calibration software. In more detail, the calibration parameters (such as the gain of each detector channel) are determined using measurements with radioactive sources, performed at different operating temperatures between -20°C and +20°C by placing the detector in a suitable climate chamber. The final part of the thesis involves the analysis of the calibration data and a discussion of the results.

Abbondanze chimiche degli elementi del picco del ferro nel sistema stellare omega centauri

La misura di abbondanze chimiche degli elementi alfa e di quelli del gruppo del ferro per indagare l'origine delle stelle e degli ammassi globulari di una galassia si è rivelata uno strumento molto versatile e potente. Questo lavoro di tesi intende studiare in particolare le abbondanze di Sc, V e Zn per il sistema stellare Omega Centauri, sistema considerato il residuo di una galassia sferoidale nana distrutta dall'interazione con la Via Lattea. L'analisi chimica di Sc, V e Zn (solitamente sottoabbondanti nelle galassie sferoidale nane) può porre importanti vincoli per capire la natura di questo sistema.

Proprieta chemo-dinamiche delle sottostrutture nell'alone retrogrado della nostra galassia

Le stelle nate nelle galassie satelliti accresciute dalla MW durante il suo processo evolutivo, sono oggi mescolate nell'Alone Retrogrado della nostra Galassia, ma mantengono una coerenza chimica e dinamica che ci consente di identificarle e di ricostruirne l'origine. Tuttavia, investigare la chimica o la dinamica in maniera indipendente non è sufficiente per fare ciò. L'associazione di stelle a specifici eventi di merging basata esclusivamente sulla loro posizione nello spazio degli IoM può non essere univoca e portare quindi ad identificazioni errate o ambigue. Allo stesso tempo, la composizione chimica delle stelle riflette la composizone del gas della galassia in cui le stelle si sono formate, ma galassie evolutesi in maniera simile sono difficilmente distinguibili nei soli piani chimici. Combinare l'informazione chimica a quella dinamica è quindi necessario per ricostruire in maniera accurata la storia di formazione ed evoluzione della MW. In questa tesi è stato analizzato un campione di 66 stelle dell'Alone Retrogrado della MW (localizzate nei dintorni solari) combinando i dati fotometrici di Gaia e quelli spettroscopici ottenuti con PEPSI@LBT. L'obiettivo principale di questo lavoro è di associare univocamente le stelle di questo campione alle rispettive galassie progenitrici tramite l'utilizzo coniugato delle informazioni chimiche e cinematiche. Per fare questo, è stata prima di tutto ricostruita l'orbita di ognuna delle stelle. In seguito, l'analisi degli spettri dei targets ha permesso di ottenere le abbondanze chimiche. L'identificazione delle sottostrutture è stata effettuata attraverso un'analisi chemo-dinamica statisticamente robusta, ottenuta tramite l'applicazione di un metodo di Gaussian Mixture Model, e l'associazione finale ai relativi progenitori, nonchè la loro interpretazione in termini di strutture indipendenti, è stata eseguita accoppiando questa informazione con la composizione chimica dettagliata di ogni stella.

Exploration of X-ray, optical and radio emission of the radio-galaxy 3C 277.3

This thesis explores the X-ray nuclear and extended properties of the radio galaxy 3C 277.3, where a recent optical observation performed with the multi-unit spectroscopic explorer (MUSE) has revealed star-forming regions triggered by the propagation of non-thermal plasma in the intergalactic medium. This work aims to study the nuclear engine and its environment and, possibly, discover signatures of non-thermal plasma-gas interaction at high energies. 3C 277.3 was observed with the Chandra satellite five times from 2010 to 2014 for a total of about 200 ks. Data in the Chandra public archive were retrieved and analyzed. When necessary, the different pointings were combined to improve the signal-to-noise ratio. A detailed analysis of the Chandra image (obtained by combining all the observations) has revealed several emission regions. In addition to a bright nucleus, two jet knots and the northern hot spot were clearly detected by overlapping the X-ray data to a VLA map of the source at 1.4 GHz. An X-ray spectral analysis was performed for all these structures. Finally, the X-ray image was over-imposed on the MUSE data.

Abbondanza di litio nelle stelle nane di alone usando la fotometria Gaia

Il litio, secondo il modello di nucleosintesi del Big Bang, viene prodotto a seguito dell’espansione dell’Universo. Negli anni Ottanta, con l'avvento di spettrografi ad alta risoluzione, è stato possibile misurare l'abbondanza di Li in stelle nane di alone (Spite & Spite 1982). L'abbondanza di Li nelle stelle nane di Popolazione II mostra un valore costante in un ampio intervallo di metallicità e di temperatura effettiva. Tale andamento prende il nome di Plateau di Spite, ed è stato interpretato come una misura dell'abbondanza primordiale dell'elemento. Due decenni dopo la scoperta dello Spite Plateau, grazie alle misurazioni WMAP è stato possibile ottenere i valori delle costanti cosmologiche. Le abbondanze degli elementi leggeri previste dalla cosmologia sono in accordo con quelle misurate, tranne che per il litio. Il valore dello Spite Plateau è infatti inferiore di un fattore 3-4. Tale problema del litio rimane ancora oggi una sfida aperta. Un altro problema aperto riguarda la scoperta del Li-meltdown, ovvero una diminuzione di A(Li) nelle stelle nane con [Fe/H]<-2.5 dex. Nel seguente lavoro sono state studiate stelle nane con metallicità basse, prese da lavori passati. Una volta ottenuto il campione si è lavorato sui dati di Gaia. L'uso di Gaia sulle stelle di alone ha permesso di: lavorare su un campione formato da parametri omogenei e precisi, conoscere lo stato evolutivo delle stelle. Tale lavoro permette per la prima volta di discutere la distribuzione dell'abbondanza di Li nelle stelle nane alla luce del loro stato evolutivo. Il campione di Gaia conferma la presenza del Plateau di Spite con un valore di A(Li)= 2.29 dex, e una caduta dell'abbondanza e un aumento dello scatter per sorgenti [Fe/H]<-2.6 dex (Li meltdown). In particolare, viene dimostrato come il Li meltdown non possa essere spiegato semplicemente come dovuto a stelle binarie o post First Dredge Up.

Investigating stellar mixing processes through the study of the Red-Giant Branch bump

Extra mixing at the borders of convective zones in stellar interiors takes on an important role in the chemical evolution of stars and galaxies through the transport of chemical elements towards the stellar surface: knowing the overshooting mechanism can therefore lead to a better understanding of the observed chemical abundances in stellar photospheres. The comprehension of this phenomenon is quite uncertain and currently object of many studies. In particular, concerning low mass stars, in the past decades several works highlighted a discrepancy between the observed luminosity of the Red-Giant Branch bump and its prediction from simulations, which can be fixed including overshooting at the base of the convective envelope. This work, studying the Red-Giant Branch bump and using it as a diagnostic for extra mixing processes, tries to classify two different types of overshooting, instantaneous and diffusive, using both simulations from stellar models and Globular Clusters’ data. The aim is to understand which one of the two mixing processes is the most suitable in reproducing the observed stellar behaviour and, in case both of them provide reliable results, what are the conditions under which they produce the same effects on the Red-Giant Branch bump luminosity function and are consequently indistinguishable. Finally, possible dependences of overshooting efficiency on stellar parameters, such as chemical composition, are analysed.

Analisi di curve di luce del pianeta XO-2b tramite la tecnica della variazione dei tempi di transito.

La ricerca di esopianeti è un ambito astrofisico in continua evoluzione. Nuovi metodi vengono proposti con l’obiettivo di individuare pianeti con una varietà di caratteristiche sempre più ampia, per poter definire al meglio la storia di formazione ed evoluzione dei sistemi planetari. Un metodo recente in grado di caratterizzare pianeti di piccola massa è lo studio della variazione del tempo di transito (TTV), basato sulla modulazione del periodo orbitale di un pianeta noto causata dalla perturbazione di un corpo aggiuntivo. In questo lavoro proponiamo l’analisi delle curve di luce del pianeta XO-2Nb al fine di individuare TTV. Questo sistema è di particolare rilevanza poiché ospitato dalla prima stella binaria wide in cui entrambe le componenti presentano un proprio sistema planetario. Tra le due stelle solo XO-2N presenta un pianeta transitante, requisito per l’applicazione del metodo proposto. L’analisi dei dati è stata svolta utilizzando il metodo della fotometria differenziale di apertura, normalizzando la curva di luce del target ad altre due stelle di riferimento presenti nel campo di vista dello strumento. I risultati ottenuti evidenziano l’assenza di variazioni di periodo orbitale per XO-2Nb e sono consistenti con un’effemeride lineare. La nuova effemeride calcolata risulta tre volte più precisa rispetto al più recente studio in letteratura, e permetterà di predire futuri transiti con una precisione migliore di un minuto fino al 2035. Abbiamo stabilito un limite superiore all’ampiezza del TTV permessa dai nostri dati, ricavando il valore massimo della massa di un eventuale pianeta perturbatore, pari a 0.15 masse terrestri. Abbiamo ricavato in maniera indipendente i parametri fisici ed orbitali di XO-2Nb, confermando e raffinando i valori presenti in letteratura. I risultati ottenuti suggeriscono che, in determinati casi, l’analisi fotometrica eseguita utilizzando telescopi medio-piccoli da terra può essere competitiva con i più avanzati telescopi spaziali.

Emissione di sincrotrone e applicazioni astrofisiche

Nel 1932 l'ingegnere e fisico Karl Jansky progettò un’antenna in grado di rilevare onde radio alla frequenza di 20.5 MHz, con la quale notò un'emissione diffusa che proveniva da ogni zona del cielo e si intensificava verso la costellazione del Sagittario. Oggi sappiamo che quella osservata da Jansky è radiazione di sincrotrone. Il meccanismo di emissione di sincrotrone affonda le sue radici nelle leggi dell'elettromagnetismo: quando una particella carica attraversa una regione di spazio in cui è presente un campo magnetico, viene accelerata dalla forza di Lorentz e comincia ad irraggiare in virtù dell'accelerazione subita, come previsto dalla formula di Larmor. A seconda che il moto avvenga a velocità non relativistiche, relativistiche o ultrarelativistiche, l’emissione è chiamata rispettivamente radiazione di ciclotrone, ciclotrone relativistico e sincrotrone. L’emissione diffusa osservata da Jansky, allora, può essere interpretata come radiazione di sincrotrone prodotta dall’interazione delle particelle ultrarelativistiche dei raggi cosmici con il campo magnetico che permea la Via Lattea, mentre l’emissione più intensa nel Sagittario è oggi identificata con la radiosorgente Sagittarius A*, localizzata in corrispondenza del buco nero supermassiccio al centro della Galassia. L’emissione di sincrotrone rappresenta uno dei processi di emissione più rilevanti in Astrofisica ed è in grado di spiegare l’origine di gran parte della radiazione osservata nella banda radio, tanto di quella diffusa quanto di quella generata da radiosorgenti individuali, come radiogalassie e resti di supernova. Le proprietà e la peculiare distribuzione spettrale della radiazione di sincrotrone consentono di ricavare una serie di informazioni sulla sorgente da cui è stata emessa. Per via dello stretto legame con il campo magnetico, inoltre, la radiazione di questo tipo è uno strumento d’indagine fondamentale per la ricostruzione del campo magnetico galattico ed extragalattico.

Jeans modeling of massive early-type galaxies with observed stellar kinematic profiles up to 2-3 effective radii

A recent integral-field spectroscopic (IFS) survey, the MASSIVE survey (Ma et al. 2014), observed the 116 most massive (MK < −25.3 mag, stellar mass M∗ > 10^11.6 M⊙) early-type galaxies (ETGs) within 108 Mpc, out to radii as large as 40 kpc, that correspond to ∼ 2 − 3 effective radii (Re). One of the major findings of the MASSIVE survey is that the galaxy sample is split nearly equally among three groups showing three different velocity dispersion profiles σ(R) outer of a radius ∼ 5 kpc (falling, flat and rising with radius). The purpose of this thesis is to model the kinematic profiles of six ETGs included in the MASSIVE survey and representative of the three observed σ(R) shapes, with the aim of investigating their dynamical structure. Models for the chosen galaxies are built using the numerical code JASMINE (Posacki, Pellegrini, and Ciotti 2013). The code produces models of axisymmetric galaxies, based on the solution of the Jeans equations for a multicomponent gravitational potential (supermassive black hole, stars and dark matter halo). With the aim of having a good agreement between the kinematics obtained from the Jeans equations, and the observed σ and rotation velocity V of MASSIVE (Veale et al. 2016, 2018), I derived constraints on the dark matter distribution and orbital anisotropy. This work suggests a trend of the dark matter amount and distribution with the shape of the velocity dispersion profiles in the outer regions: the models of galaxies with flat or rising velocity dispersion profiles show higher dark matter fractions fDM both within 1 Re and 5 Re. Orbital anisotropy alone cannot account for the different observed trends of σ(R) and has a minor effect compared to variations of the mass profile. Galaxies with similar stellar mass M∗ that show different velocity dispersion profiles (from falling to rising) are successfully modelled with a variation of the halo mass Mh.