La Controparte Ottica della "Black-Widow" nell'Ammasso Globulare M71

Le Millisecond Pulsar (MSP) sono stelle di neutroni magnetizzate e rapidamente rotanti, prodotte da fenomeni di accrescimento di massa e momento angolare da parte di una stella compagna. Secondo lo scenario canonico di formazione, è atteso che la stella compagna sia una nana bianca di He, privata del suo inviluppo esterno. Tuttavia, in un numero crescente di casi, la compagna della MSP è stata identificata in una stella di piccola massa, non degenere, ancora soggetta a fenomeni di perdita di massa. Queste MSP vengono comunemente chiamate ''Black-Widow'' (BW) e sono l'oggetto di studio di questa tesi. In particolare, l'obiettivo di questo lavoro è l'identificazione della controparte ottica della PSR J1953+1846A nell'ammasso globulare M71. Essa è classificata come BW, data la piccola massa della compagna (~0.032 Msun) e il segnale radio eclissato per circa il 20% dell'orbita. Tramite l'uso di osservazioni ad alta risoluzione con il telescopio spaziale Hubble, abbiamo identificato, in una posizione compatibile con la MSP, un debole oggetto, la cui variabilità mostra una periodicità coerente con quella del sistema binario, noto dalla banda radio. La struttura della curva di luce è indicativa della presenza di fenomeni di irraggiamento della superficie stellare esposta all'emissione della MSP e dalla sua analisi abbiamo stimato alcuni parametri fisici della compagna, come la temperatura superficiale ed il fattore di riempimento del lobo di Roche. Dal confronto tra le curve di luce X ed ottica, abbiamo inoltre trovato evidenze a favore della presenza di shocks nelle regioni intrabinarie. Abbiamo quindi evidenziato l'estrema similarità di questo sistema con l'unica compagna di BW attualmente nota in un ammasso globulare: PSR J1518+0204C. Infine, abbiamo effettuato uno studio preliminare delle controparti ottiche delle sorgenti X dell'ammasso. Abbiamo così identificato due AGN che, insieme ad altre due galassie, hanno permesso la determinazione del moto proprio assoluto delle stelle dell'ammasso.

The thickness of the gaseous layer in disk galaxies

il profilo verticale del gas dipende sia dal potenziale galattico, e quindi dalla distribuzione di materia, sia dalla dispersione di velocit`a del gas La nostra analisi teorica ha mostrato che l’altezza scala dell’idrogeno gassoso ad un certo raggio `e fortemente legata alla componente di massa dominate: nelle parti centrali, dove domina la materia barionica, il disco gassoso incrementa il suo spessore esponenzialmente con una lunghezza scala pari al doppio di quella del disco stellare; dalle zone intermedie fino alla fine del disco, il profilo verticale del gas `e influenzato dalla distribuzione di DM. In queste zone lo spessore del disco gassoso cresce con il raggio in maniera circa lineare. Tale fenomeno viene definito gas flaring. Lo scopo principale di questa tesi `e la ricerca di una nuova tecnica per poter stimare il profilo vertical del gas in galassie con inclinazione intermedia.

Il profilo di dispersione di velocità nell'ammasso globulare ngc 2808

I GC rappresentano i laboratori ideali nei quali studiare la dinamica stellare e i suoi effetti sull'evoluzione stellare; infatti, sono gli unici sistemi astrofisici soggetti a quasi tutti i processi fisici noti nella dinamica stellare, entro il tempo scala dell'età dell'Universo. Questo lavoro di tesi si inserisce nell'ambito di un progetto di ricerca che mira ad una dettagliata caratterizzazione dell'evoluzione dinamica dei GC della Galassia. In particolare, la misura delle velocità radiali di un ampio campione di stelle poste a differenti distanze dal centro dell’ammasso permette di derivare il profilo di dispersione di velocità del sistema,il quale ne riflette lo stato dinamico ed è utile per verificare la possibile presenza di un buco nero di massa intermedia al centro dell'ammasso. Lo studio delle velocità radiali delle singole stelle può altresì fornire informazioni riguardo la distribuzione di massa del sistema,oltreché la presenza di un'eventuale rotazione. Inoltre, la conoscenza della sola distribuzione di densità non è sufficiente a vincolare univocamente i modelli e fornire una visione completa della fisica dei GC, in quanto ad ogni determinato profilo di densità possono corrispondere diverse condizioni dinamiche. La contemporanea conoscenza del profilo di dispersione di velocità e della eventuale curva di rotazione permette di rimuovere la degenerazione causata dalla sola conoscenza del profilo di densità. Seguendo un approccio multi-strumentale,è possibile campionare l'intera estensione radiale dell'ammasso globulare: con lo spettrografo FLAMES, le regioni esterne (da distanze di circa 20 arcsec dal centro fino al raggio mareale dell'ammasso), con lo spettrografo KMOS, quelle intermedie e con lo strumento IFU ad ottiche adattive SINFONI, le regioni centrali (pochi arcsec dal centro). Questo lavoro di tesi consiste nell'analisi di spettri ad alta risoluzione acquisiti con FLAMES per un grande campione di stelle (979) localizzate nelle regioni esterne dell'ammasso NGC 2808,con lo scopo di misurare le loro velocità radiali.

Searching for outflows signatures in sdss spectra of x-ray selected, obscured agn in the cosmos field

Partendo dal campione di AGN presente nella survey di XMM-COSMOS, abbiamo cercato la sua controparte ottica nel database DR10 della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), ed il match ha portato ad una selezione di 200 oggetti, tra cui stelle, galassie e quasar. A partire da questo campione, abbiamo selezionato tutti gli oggetti con un redshift z<0.86 per limitare l’analisi agli AGN di tipo 2, quindi siamo giunti alla selezione finale di un campione di 30 sorgenti. L’analisi spettrale è stata fatta tramite il task SPECFIT, presente in IRAF. Abbiamo creato due tipi di modelli: nel primo abbiamo considerato un’unica componente per ogni riga di emissione, nel secondo invece è stata introdotta un’ulteriore com- ponente limitando la FWHM della prima ad un valore inferiore a 500 km\s. Le righe di emissione di cui abbiamo creato un modello sono le seguenti: Hβ, [NII]λλ 6548,6581, Hα, [SII]λλ 6716,6731 e [OIII]λλ 4959,5007. Nei modelli costruiti abbiamo tenuto conto della fisica atomica per quel che riguarda i rapporti dei flussi teorici dei doppietti dell’azoto e dell’ossigeno, fissandoli a 1:3 per entrambi; nel caso del modello ad una componente abbiamo fissato le FWHM delle righe di emissione; mentre nel caso a due componenti abbiamo fissato le FWHM delle componenti strette e larghe, separatamente. Tenendo conto del chi-quadro ottenuto da ogni fit e dei residui, è stato possibile scegliere tra i due modelli per ogni sorgente. Considerato che la nostra attenzione è focalizzata sulla cinematica dell’ossigeno, abbiamo preso in considerazione solo le sorgenti i cui spettri mostravano la riga suddetta, cioè 25 oggetti. Su questa riga è stata fatta un’analisi non parametrica in modo da utilizzare il metodo proposto da Harrison et al. (2014) per caratterizzare il profilo di riga. Sono state determinate quantità utili come il 2 e il 98 percentili, corrispondenti alle velocità massime proiettate del flusso di materia, e l’ampiezza di riga contenente l’80% dell’emissione. Per indagare sull’eventuale ruolo che ha l’AGN nel guidare questi flussi di materia verso l’esterno, abbiamo calcolato la massa del gas ionizzato presente nel flusso e il tasso di energia cinetica, tenendo conto solo delle componenti larghe della riga di [OIII] λ5007. Per la caratterizzazione energetica abbiamo considerato l’approccio di Cano-Diaz et al (2012) e di Heckman (1990) in modo da poter ottenere un limite inferiore e superiore della potenza cinetica, adottando una media geometrica tra questi due come valore indicativo dell’energetica coinvolta. Confrontando la potenza del flusso di gas con la luminosità bolometrica dell’AGN, si è trovato che l’energia cinetica del flusso di gas è circa lo 0.3-30% della luminosità dell’AGN, consistente con i modelli che considerano l’AGN come principale responsabile nel guidare questi flussi di gas.

Constraining mass and shape of galaxy clusters through large scale structures

The mass estimation of galaxy clusters is a crucial point for modern cosmology, and can be obtained by several different techniques. In this work we discuss a new method to measure the mass of galaxy clusters connecting the gravitational potential of the cluster with the kinematical properties of its surroundings. We explore the dynamics of the structures located in the region outside virialized cluster, We identify groups of galaxies, as sheets or filaments, in the cluster outer region, and model how the cluster gravitational potential perturbs the motion of these structures from the Hubble fow. This identification is done in the redshift space where we look for overdensities with a filamentary shape. Then we use a radial mean velocity profile that has been found as a quite universal trend in simulations, and we fit the radial infall velocity profile of the overdensities found. The method has been tested on several cluster-size haloes from cosmological N-body simulations giving results in very good agreement with the true values of virial masses of the haloes and orientation of the sheets. We then applied the method to the Coma cluster and even in this case we found a good correspondence with previous. It is possible to notice a mass discrepancy between sheets with different alignments respect to the center of the cluster. This difference can be used to reproduce the shape of the cluster, and to demonstrate that the spherical symmetry is not always a valid assumption. In fact, if the cluster is not spherical, sheets oriented along different axes should feel a slightly different gravitational potential, and so give different masses as result of the analysis described before. Even this estimation has been tested on cosmological simulations and then applied to Coma, showing the actual non-sphericity of this cluster.

Analisi di abbondanze in componenti di sistemi binari

In questo lavoro è stata svolta l'analisi chimica differenziale di 22 sistemi binari monitorati nel corso della survey SARG. L'obiettivo è determinare eventuali differenze di abbondanza e porre limiti osservativi a uno degli scenari attualmente accreditato come responsabile del legame tra metallicità della stella e presenza di pianeti giganti.

Bispectrum of cosmological models with massive neutrinos

Uno dei più importanti campi di ricerca che coinvolge gli astrofisici è la comprensione della Struttura a Grande Scala dell'universo. I principi della Formazione delle Strutture sono ormai ben saldi, e costituiscono la base del cosiddetto "Modello Cosmologico Standard". Fino agli inizi degli anni 2000, la teoria che spiegava con successo le proprietà statistiche dell'universo era la cosiddetta "Teoria Perturbativa Standard". Attraverso simulazioni numeriche e osservazioni di qualità migliore, si è evidenziato il limite di quest'ultima teoria nel descrivere il comportamento dello spettro di potenza su scale oltre il regime lineare. Ciò spinse i teorici a trovare un nuovo approccio perturbativo, in grado di estendere la validità dei risultati analitici. In questa Tesi si discutono le teorie "Renormalized Perturbation Theory"e"Multipoint Propagator". Queste nuove teorie perturbative sono la base teorica del codice BisTeCca, un codice numerico originale che permette il calcolo dello spettro di potenza a 2 loop e del bispettro a 1 loop in ordine perturbativo. Come esempio applicativo, abbiamo utilizzato BisTeCca per l'analisi dei bispettri in modelli di universo oltre la cosmologia standard LambdaCDM, introducendo una componente di neutrini massicci. Si mostrano infine gli effetti su spettro di potenza e bispettro, ottenuti col nostro codice BisTeCca, e si confrontano modelli di universo con diverse masse di neutrini.

Non-thermal emission in High Frequency Peaked blazars towards the Square Kilometer Array era

In this thesis work we will explore and discuss the properties of the gamma-ray sources included in the first Fermi-LAT catalog of sources above 10 GeV (1FHL), by considering both blazars and the non negligible fraction of still unassociated gamma-ray sources (UGS, 13%). We perform a statistical analysis of a complete sample of hard gamma-ray sources, included in the 1FHL catalog, mostly composed of HSP blazars, and we present new VLBI observations of the faintest members of the sample. The new VLBI data, complemented by an extensive search of the archives for brighter sources, are essential to gather a sample as large as possible for the assessment of the significance of the correlation between radio and very high energy (E>100 GeV) emission bands. After the characterization of the statistical properties of HSP blazars and UGS, we use a complementary approach, by focusing on an intensive multi-frequency observing VLBI and gamma-ray campaign carried out for one of the most remarkable and closest HSP blazar Markarian 421.

COSMIC-LAB: Unexpected Results from High-resolution Spectra of AGB Stars in Globular Clusters

We have used high-resolution spectra, acquired with UVES@ESO-VLT, to determine the chemical abundances of different samples of AGB and RGB stars in 4 Galactic globular clusters, namely 47Tuc, NGC3201, M22 and M62. For almost all the analyzed AGB stars we found a clear discrepancy between the iron abundance measured from neutral lines and that obtained from single ionized lines, while this discrepancy is not obtained for the RGB samples observed in the same clusters and analyzed with the same procedure. Such a behavior exactly corresponds to what expected in the case of Non-Local Thermodynamical Equilibrium (NLTE) in the star atmosphere. These results have a huge impact on the proper determination of GC chemistry. In fact, one of the most intriguing consequences is that, at odds with previous claims, no iron spread is found in NGC3201 and M22 if the iron abundance is obtained from ionized lines only.

On the Luminous and Dark Matter Distribution in Early-Type Galaxies

The way mass is distributed in galaxies plays a major role in shaping their evolution across cosmic time. The galaxy's total mass is usually determined by tracing the motion of stars in its potential, which can be probed observationally by measuring stellar spectra at different distances from the galactic centre, whose kinematics is used to constrain dynamical models. A class of such models, commonly used to accurately determine the distribution of luminous and dark matter in galaxies, is that of equilibrium models. In this Thesis, a novel approach to the design of equilibrium dynamical models, in which the distribution function is an analytic function of the action integrals, is presented. Axisymmetric and rotating models are used to explain observations of a sample of nearby early-type galaxies in the Calar Alto Legacy Integral Field Area survey. Photometric and spectroscopic data for round and flattened galaxies are well fitted by the models, which are then used to get the galaxies' total mass distribution and orbital anisotropy. The time evolution of massive early-type galaxies is also investigated with numerical models. Their structural properties (mass, size, velocity dispersion) are observed to evolve, on average, with redshift. In particular, they appear to be significantly more compact at higher redshift, at fixed stellar mass, so it is interesting to investigate what drives such evolution. This Thesis focuses on the role played by dark-matter haloes: their mass-size and mass-velocity dispersion correlations evolve similarly to the analogous correlations of ellipticals; at fixed halo mass, the haloes are more compact at higher redshift, similarly to massive galaxies; a simple model, in which all the galaxy's size and velocity-dispersion evolution is due to the cosmological evolution of the underlying halo population, reproduces the observed size and velocity-dispersion of massive compact early-type galaxies up to redshift of about 2.

Kinematics of local and high-z galaxies through 3D modeling of emission-line datacubes

The kinematics is a fundamental tool to infer the dynamical structure of galaxies and to understand their formation and evolution. Spectroscopic observations of gas emission lines are often used to derive rotation curves and velocity dispersions. It is however difficult to disentangle these two quantities in low spatial-resolution data because of beam smearing. In this thesis, we present 3D-Barolo, a new software to derive the gas kinematics of disk galaxies from emission-line data-cubes. The code builds tilted-ring models in the 3D observational space and compares them with the actual data-cubes. 3D-Barolo works with data at a wide range of spatial resolutions without being affected by instrumental biases. We use 3D-Barolo to derive rotation curves and velocity dispersions of several galaxies in both the local and the high-redshift Universe. We run our code on HI observations of nearby galaxies and we compare our results with 2D traditional approaches. We show that a 3D approach to the derivation of the gas kinematics has to be preferred to a 2D approach whenever a galaxy is resolved with less than about 20 elements across the disk. We moreover analyze a sample of galaxies at z~1, observed in the H-alpha line with the KMOS/VLT spectrograph. Our 3D modeling reveals that the kinematics of these high-z systems is comparable to that of local disk galaxies, with steeply-rising rotation curves followed by a flat part and H-alpha velocity dispersions of 15-40 km/s over the whole disks. This evidence suggests that disk galaxies were already fully settled about 7-8 billion years ago. In summary, 3D-Barolo is a powerful and robust tool to separate physical and instrumental effects and to derive a reliable kinematics. The analysis of large samples of galaxies at different redshifts with 3D-Barolo will provide new insights on how galaxies assemble and evolve throughout cosmic time.

Accretion of Mass and Angular Momentum onto The Discs of Spiral Galaxies

In this Thesis, we study the accretion of mass and angular momentum onto the disc of spiral galaxies from a global and a local perspective and comparing theory predictions with several observational data. First, we propose a method to measure the specific mass and radial growth rates of stellar discs, based on their star formation rate density profiles and we apply it to a sample of nearby spiral galaxies. We find a positive radial growth rate for almost all galaxies in our sample. Our galaxies grow in size, on average, at one third of the rate at which they grow in mass. Our results are in agreement with theoretical expectations if known scaling relations of disc galaxies are not evolving with time. We also propose a novel method to reconstruct accretion profiles and the local angular momentum of the accreting material from the observed structural and chemical properties of spiral galaxies. Applied to the Milky Way and to one external galaxy, our analysis indicates that accretion occurs at relatively large radii and has a local deficit of angular momentum with respect to the disc. Finally, we show how structure and kinematics of hot gaseous coronae, which are believed to be the source of mass and angular momentum of massive spiral galaxies, can be reconstructed from their angular momentum and entropy distributions. We find that isothermal models with cosmologically motivated angular momentum distributions are compatible with several independent observational constraints. We also consider more complex baroclinic equilibria: we describe a new parametrization for these states, a new self-similar family of solution and a method for reconstructing structure and kinematics from the joint angular momentum/entropy distribution.

Gravitational Lensing as a Tool on Galactic and Cosmological Scales

This work considers the reconstruction of strong gravitational lenses from their observed effects on the light distribution of background sources. After reviewing the formalism of gravitational lensing and the most common and relevant lens models, new analytical results on the elliptical power law lens are presented, including new expressions for the deflection, potential, shear and magnification, which naturally lead to a fast numerical scheme for practical calculation. The main part of the thesis investigates lens reconstruction with extended sources by means of the forward reconstruction method, in which the lenses and sources are given by parametric models. The numerical realities of the problem make it necessary to find targeted optimisations for the forward method, in order to make it feasible for general applications to modern, high resolution images. The result of these optimisations is presented in the \textsc{Lensed} algorithm. Subsequently, a number of tests for general forward reconstruction methods are created to decouple the influence of sourced from lens reconstructions, in order to objectively demonstrate the constraining power of the reconstruction. The final chapters on lens reconstruction contain two sample applications of the forward method. One is the analysis of images from a strong lensing survey. Such surveys today contain $\sim 100$ strong lenses, and much larger sample sizes are expected in the future, making it necessary to quickly and reliably analyse catalogues of lenses with a fixed model. The second application deals with the opposite situation of a single observation that is to be confronted with different lens models, where the forward method allows for natural model-building. This is demonstrated using an example reconstruction of the ``Cosmic Horseshoe''. An appendix presents an independent work on the use of weak gravitational lensing to investigate theories of modified gravity which exhibit screening in the non-linear regime of structure formation.

Simulations for Gravitational Lensing of 21 cm Radiation at EoR and Post-EoR Redshifts

21 cm cosmology opens an observational window to previously unexplored cosmological epochs such as the Epoch of Reionization (EoR), the Cosmic Dawn and the Dark Ages using powerful radio interferometers such as the planned Square Kilometer Array (SKA). Among all the other applications which can potentially improve the understanding of standard cosmology, we study the promising opportunity given by measuring the weak gravitational lensing sourced by 21 cm radiation. We performed this study in two different cosmological epochs, at a typical EoR redshift and successively at a post-EoR redshift. We will show how the lensing signal can be reconstructed using a three dimensional optimal quadratic lensing estimator in Fourier space, using single frequency band or combining multiple frequency band measurements. To this purpose, we implemented a simulation pipeline capable of dealing with issues that can not be treated analytically. Considering the current SKA plans, we studied the performance of the quadratic estimator at typical EoR redshifts, for different survey strategies and comparing two thermal noise models for the SKA-Low array. The simulation we performed takes into account the beam of the telescope and the discreteness of visibility measurements. We found that an SKA-Low interferometer should obtain high-fidelity images of the underlying mass distribution in its phase 1 only if several bands are stacked together, covering a redshift range that goes from z=7 to z=11.5. The SKA-Low phase 2, modeled in order to improve the sensitivity of the instrument by almost an order of magnitude, should be capable of providing images with good quality even when the signal is detected within a single frequency band. Considering also the serious effect that foregrounds could have on this detections, we discussed the limits of these results and also the possibility provided by these models of measuring an accurate lensing power spectrum.

Black Hole and Galaxy Growth over Cosmic Time: the Chandra COSMOS Legacy Survey

The study of supermassive black hole (SMBH) accretion during their phase of activity (hence becoming active galactic nuclei, AGN), and its relation to the host-galaxy growth, requires large datasets of AGN, including a significant fraction of obscured sources. X-ray data are strategic in AGN selection, because at X-ray energies the contamination from non-active galaxies is far less significant than in optical/infrared surveys, and the selection of obscured AGN, including also a fraction of heavily obscured AGN, is much more effective. In this thesis, I present the results of the Chandra COSMOS Legacy survey, a 4.6 Ms X-ray survey covering the equatorial COSMOS area. The COSMOS Legacy depth (flux limit f=2x10^(-16) erg/s/cm^(-2) in the 0.5-2 keV band) is significantly better than that of other X-ray surveys on similar area, and represents the path for surveys with future facilities, like Athena and X-ray Surveyor. The final Chandra COSMOS Legacy catalog contains 4016 point-like sources, 97% of which with redshift. 65% of the sources are optically obscured and potentially caught in the phase of main BH growth. We used the sample of 174 Chandra COSMOS Legacy at z>3 to place constraints on the BH formation scenario. We found a significant disagreement between our space density and the predictions of a physical model of AGN activation through major-merger. This suggests that in our luminosity range the BH triggering through secular accretion is likely preferred to a major-merger triggering scenario. Thanks to its large statistics, the Chandra COSMOS Legacy dataset, combined with the other multiwavelength COSMOS catalogs, will be used to answer questions related to a large number of astrophysical topics, with particular focus on the SMBH accretion in different luminosity and redshift regimes.