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.

Main characteristics of the emission from elliptical galaxies

Elliptical galaxies are one of the most characteristic objects we can find in the sky. In order to unveil their properties, such as their structure or chemical composition, one must study their spectral emission. In fact they seem to behave rather differently when observed with different eyes. This is because their light is mainly brought by two different components: optical radiation arises from its stars, while the X emission is primarly due to a halo of extremely hot gas in which ellipticals seem to be embedded. After a brief classification, the two main processes linked to these phenomena will be described, together with the informations we can collect thanks to them. Eventually, we will take a quick look at the other regions of the electromagnetic spectrum.

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.

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.

Zeta and L-functions of elliptic curves

In questa tesi si studiano alcune proprietà fondamentali delle funzioni Zeta e L associate ad una curva ellittica. In particolare, si dimostra la razionalità della funzione Zeta e l'ipotesi di Riemann per due famiglie specifiche di curve ellittiche. Si studia poi il problema dell'esistenza di un prolungamento analitico al piano complesso della funzione L di una curva ellittica con moltiplicazione complessa, attraverso l'analisi diretta di due casi particolari.

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.

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.

The gas mass fraction and the dynamical state in x-ray luminous clusters of galaxies at low redshift

Gli ammassi di galassie sono le strutture gravitazionalmente legate con le più profonde buche di potenziale, pertanto è previsto che questi contengano una frazione di barioni non molto diversa da quella cosmologica. Con l’introduzione di modelli sempre più accurati di fisica barionica all’interno di simulazioni idrodinamiche è stato possibile predire la percentuale cosmica di barioni presente negli ammassi di galassie. Unendo questi modelli previsionali con misure della frazione di gas in ammassi e informazioni sulla densità di barioni dell’Universo si può ottenere una stima della densità di materia cosmica Ωm. L'obiettivo di questo lavoro di Tesi è la stima di Ωm a partire dalla frazione di gas osservata in questi sistemi. Questo lavoro era stato già fatto in precedenza, ma tenendo in considerazione solo gli ammassi più massivi e dinamicamente rilassati. Usando parametri che caratterizzano la morfologia della distribuzione di brillanza superficiale nei raggi X, abbiamo classificato i nostri oggetti come rilassati o disturbati, laddove presentassero evidenze di recenti attività di interazione. Abbiamo dunque valutato l’impatto degli oggetti disturbati sulla stima del parametro cosmologico Ωm, computando il Chi2 tra la frazione di massa barionica nell’Universo e quella da noi ricavata. Infine abbiamo investigato una relazione tra il valore della frazione di gas degli ammassi rilassati e quello dei disturbati, in modo da correggere quindi questi ultimi, riportandoli nei dintorni del valore medio per i rilassati e usarli per ampliare il campione e porre un vincolo più stringente su Ωm. Anche con il limitato campione a nostra disposizione, è stato possibile porre un vincolo più stretto su Ωm, utilizzando un maggior numero di oggetti e riducendo così l’errore statistico.

High-energy view of radio galaxies: prospects for the new generation of Cherenkov telescopes

I Nuclei Galattici Attivi (AGN) sono sorgenti luminose e compatte alimentate dall'accrescimento di materia sul buco nero supermassiccio al centro di una galassia. Una frazione di AGN, detta "radio-loud", emette fortemente nel radio grazie a getti relativistici accelerati dal buco nero. I Misaligned AGN (MAGN) sono sorgenti radio-loud il cui getto non è allineato con la nostra linea di vista (radiogalassie e SSRQ). La grande maggioranza delle sorgenti extragalattiche osservate in banda gamma sono blazar, mentre, in particolare in banda TeV, abbiamo solo 4 MAGN osservati. Lo scopo di questa tesi è valutare l'impatto del Cherenkov Telescope Array (CTA), il nuovo strumento TeV, sugli studi di MAGN. Dopo aver studiato le proprietà dei 4 MAGN TeV usando dati MeV-GeV dal telescopio Fermi e dati TeV dalla letteratura, abbiamo assunto come candidati TeV i MAGN osservati da Fermi. Abbiamo quindi simulato 50 ore di osservazioni CTA per ogni sorgente e calcolato la loro significatività. Assumendo una estrapolazione diretta dello spettro Fermi, prevediamo la scoperta di 9 nuovi MAGN TeV con il CTA, tutte sorgenti locali di tipo FR I. Applicando un cutoff esponenziale a 100 GeV, come forma spettrale più realistica secondo i dati osservativi, prevediamo la scoperta di 2-3 nuovi MAGN TeV. Per quanto riguarda l'analisi spettrale con il CTA, secondo i nostri studi sarà possibile ottenere uno spettro per 5 nuove sorgenti con tempi osservativi dell'ordine di 250 ore. In entrambi i casi, i candidati migliori risultano essere sempre sorgenti locali (z<0.1) e con spettro Fermi piatto (Gamma<2.2). La migliore strategia osservativa per ottenere questi risultati non corrisponde con i piani attuali per il CTA che prevedono una survey non puntata, in quanto queste sorgenti sono deboli, e necessitano di lunghe osservazioni puntate per essere rilevate (almeno 50 ore per studi di flusso integrato e 250 per studi spettrali).

Analisi morfometrica classica ed EFA (Elliptic Fourier Analysis) degli otoliti del genere Mullus in Alto - Medio Adriatico.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di analizzare i campioni di otoliti delle due specie del genere Mullus (Mullus barbatus e Mullus surmuletus) per mezzo dell’Analisi Ellittica di Fourier (EFA) e l’analisi di morfometria classica con gli indici di forma, al fine di verificare la simmetria tra l’otolite destro e sinistro in ognuna delle singole specie di Mullus e se varia la forma in base alla taglia dell’individuo. Con l’EFA è stato possibile mettere a confronto le forme degli otoliti facendo i confronti multipli in base alla faccia, al sesso e alla classe di taglia. Inoltre è stato fatto un confronto tra le forme degli otoliti delle due specie. Dalle analisi EFA è stato possibile anche valutare se gli esemplari raccolti appartenessero tutti al medesimo stock o a stock differenti. Gli otoliti appartengono agli esemplari di triglia catturati durante la campagna sperimentale MEDITS 2012. Per i campioni di Mullus surmuletus, data la modesta quantità, sono stati analizzati anche gli otoliti provenienti dalla campagna MEDITS 2014 e GRUND 2002. I campioni sono stati puliti e analizzati allo stereomicroscopio con telecamera e collegato ad un PC fornito di programma di analisi di immagine. Dalle analisi di morfometria classica sugli otoliti delle due specie si può sostenere che in generale vi sia una simmetria tra l’otolite destro e sinistro. Dalle analisi EFA sono state riscontrate differenze significative in tutti i confronti, anche nel confronto tra le due specie. I campioni sembrano però appartenere al medesimo stock. In conclusione si può dire che l’analisi di morfometria classica ha dato dei risultati congrui con quello che ci si aspettava. I risultati dell’analisi EFA invece hanno evidenziato delle differenze significative che dimostrano una superiore potenza discriminante. La particolare sensibilità dell’analisi dei contorni impone un controllo di qualità rigoroso durante l’acquisizione delle forme.

A study of the turbulence of the neutral medium in two nearby spiral galaxies

The width of the 21 cm line (HI) emitted by spiral galaxies depends on the physical processes that release energy in the Interstellar Medium (ISM). This quantity is called velocity dispersion (σ) and it is proportional first of all to the thermal kinetic energy of the gas. The accepted theoretical picture predicts that the neutral hydrogen component (HI) exists in the ISM in two stable phases: a cold one (CNM, with σ~0.8 km/s) and a warm one (WNM, with σ~8 km/s). However, this is called into question by the observation that the HI gas has usually larger velocity dispersions. This suggests the presence of turbulence in the ISM, although the energy sources remain unknown. In this thesis we want to shed new light on this topic. We have studied the HI line emission of two nearby galaxies: NGC6946 and M101. For the latter we used new deep observations obtained with the Westerbork radio interferometer. Through a gaussian fitting procedure, we produced dispersion maps of the two galaxies. For both of them, we compared the σ values measured in the spiral arms with those in the interarms. In NGC6946 we found that, in both arms and interarms, σ grows with the column density, while we obtained the opposite for M 101. Using a statistical analysis we did not find a significant difference between arm and interarm dispersion distributions. Producing star formation rate density maps (SFRD) of the galaxies, we studied their global and local relations with the HI kinetic energy, as inferred from the measured dispersions. For NGC6946 we obtained a good log-log correlation, in agreement with a simple model of supernova feedback driven turbulence. This shows that in this galaxy turbulent motions are mainly induced by the stellar activity. For M 101 we did not find an analogous correlation, since the gas kinetic energy appears constant with the SFRD. We think that this may indicate that in this galaxy turbulence is driven also by accretion of extragalactic material.

A study of extended radio galaxies in the Shapley concentration core

Extended cluster radio galaxies show different morphologies com- pared to those found isolated in the field. Indeed, symmetric double radio galaxies are only a small percentage of the total content of ra- dio loud cluster galaxies, which show mainly tailed morphologies (e.g. O’Dea & Owen, 1985). Moreover, cluster mergers can deeply affect the statistical properties of their radio activity. In order to better understand the morphological and radio activity differences of the radio galaxies in major mergeing and non/tidal-merging clusters, we performed a multifrequency study of extended radio galax- ies inside two cluster complexes, A3528 and A3558. They belong to the innermost region of the Shapley Concentration, the most massive con- centration of galaxy clusters (termed supercluster) in the local Universe, at average redshift z ≈ 0.043. We analysed low frequency radio data performed at 235 and 610 MHz with Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) and we combined them with proprietary and literature observations, in order to have a wide frequency range (150 MHz to 8.4 GHz) to perform the spectral analysis. The low frequency images allowed us to carry out a detailed study of the radio tails and diffuse emission found in some cases. The results in the radio band were also qualitatively compared with the X-ray information coming from XMM-Newton observations, in order to test the interaction between radio galaxies and cluster weather. We found that the brightest central galaxies (BCGs) in the A3528 cluster complex are powerful and present substantial emission from old relativistic plasma characterized by a steep spectrum (α > 2). In the light of observational pieces of evidence, we suggest they are possible re-started radio galaxies. On the other hand, the tailed radio galaxies trace the host galaxy motion with respect to the ICM, and our find- ings is consistent with the dynamical interpretation of a tidal interaction (Gastaldello et al. 2003). On the contrary, the BCGs in the A3558 clus- ter complex are either quiet or very faint radio galaxies, supporting the hypothesis that clusters mergers quench the radio emission from AGN.