A new low magnetic field magnetar: the 2011 outburst of Swift J1822.3–1606

We report on the long-term X-ray monitoring with Swift, RXTE, Suzaku, Chandra, and XMM-Newton of the outburst of the newly discovered magnetar Swift J1822.3–1606 (SGR 1822–1606), from the first observations soon after the detection of the short X-ray bursts which led to its discovery, through the first stages of its outburst decay (covering the time span from 2011 July until the end of 2012 April). We also report on archival ROSAT observations which detected the source during its likely quiescent state, and on upper limits on Swift J1822.3–1606's radio-pulsed and optical emission during outburst, with the Green Bank Telescope and the Gran Telescopio Canarias, respectively. Our X-ray timing analysis finds the source rotating with a period of P = 8.43772016(2) s and a period derivative P = 8.3(2)×10−14 s s−1, which implies an inferred dipolar surface magnetic field of B sime 2.7 × 1013 G at the equator. This measurement makes Swift J1822.3–1606 the second lowest magnetic field magnetar (after SGR 0418+5729). Following the flux and spectral evolution from the beginning of the outburst, we find that the flux decreased by about an order of magnitude, with a subtle softening of the spectrum, both typical of the outburst decay of magnetars. By modeling the secular thermal evolution of Swift J1822.3–1606, we find that the observed timing properties of the source, as well as its quiescent X-ray luminosity, can be reproduced if it was born with a poloidal and crustal toroidal fields of Bp ~ 1.5 × 1014 G and B tor ~ 7 × 1014 G, respectively, and if its current age is ~550 kyr.

IRAS 00183-7111: ALMA and X-ray view of an ultra luminous infrared galaxy

The aim of this Thesis work is to study the multi-frequency properties of the Ultra Luminous Infrared Galaxy (ULIRG) IRAS 00183-7111 (I00183) at z = 0.327, connecting ALMA sub-mm/mm observations with those at high energies in order to place constraints on the properties of its central power source and verify whether the gas traced by the CO may be responsible for the obscuration observed in X-rays. I00183 was selected from the so-called Spoon diagnostic diagram (Spoon et al. 2007) for mid-infrared spectra of infrared galaxies based on the equivalent width of the 6.2 μm Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) emission feature versus the 9.7 μm silicate strength. Such features are a powerful tool to investigate the contribution of star formation and AGN activity in this class of objects. I00183 was selected from the top-left region of the plot where the most obscured sources, characterized by a strong Si absorption feature, are located. To link the sub-mm/mm to the X-ray properties of I00183, ALMA archival Cycle 0 data in Band 3 (87 GHz) and Band 6 (270 GHz) have been calibrated and analyzed, using CASA software. ALMA Cycle 0 was the Early Science program for which data reprocessing is strongly suggested. The main work of this Thesis consisted in reprocessing raw data to provide an improvement with respect to the available archival products and results, which were obtained using standard procedures. The high-energy data consists of Chandra, XMM-Newton and NuSTAR observations which provide a broad coverage of the spectrum in the energy range 0.5 − 30 keV. Chandra and XMM archival data were used, with an exposure time of 22 and 22.2 ks, respectively; their reduction was carried out using CIAO and SAS software. The 100 ks NuSTAR are still private and the spectra were obtained by courtesy of the PI (K. Iwasawa). A detailed spectral analysis was done using XSPEC software; the spectral shape was reproduced starting from simple phenomenological models, and then more physical models were introduced to account for the complex mechanisms that involve this source. In Chapter 1, an overview of the scientific background is discussed, with a focus on the target, I00183, and the Spoon diagnostic diagram, from which it was originally selected. In Chapter 2, the basic principles of interferometry are briefly introduced, with a description of the calibration theory applied to interferometric observations. In Chapter 3, ALMA and its capabilities, both current and future, are shown, explaining also the complex structure of the ALMA archive. In Chapter 4, the calibration of ALMA data is presented and discussed, showing also the obtained imaging products. In Chapter 5, the analysis and discussion of the main results obtained from ALMA data is presented. In Chapter 6, the X-ray observations, data reduction and spectral analysis are reported, with a brief introduction to the basic principle of X-ray astronomy and the instruments from which the observations were carried out. Finally, the overall work is summarized, with particular emphasis on the main obtained results and the possible future perspectives.

Righe spettrali: formazione, shift, allargamento

L'analisi degli spetti astronomici ci fornisce informazioni cruciali per la comprensione degli oggetti astrofisici che li generano. In questo breve elaborato, si analizzano i processi fisici a livello microscopico che portano alla loro formazione, i meccanismi per i quali le righe subiscono uno shift, e quelli per cui il loro profilo viene modificato. Infine, si approfondiscono alcuni esempi astrofisici di spettri.

Fisica dell'accrescimento

Questo elaborato presenta una descrizione del fenomeno dell’accrescimento di materia su oggetti compatti, esponendo i principali modelli fisici a riguardo. Dopo un’introduzione, in cui viene mostrato come l’accrescimento rappresenti la più importante fonte di energia in astrofisica, si discute nel capitolo 1 il più semplice modello di accresci- mento, dovuto ad Hermann Bondi (1952). Tale modello, proprio per la sua semplicità, risulta molto importante, nonostante trascuri importanti aspetti fisici. Nel capitolo 2 si studia la fisica dei dischi di accrescimento, analizzando sia il caso generale che alcuni casi particolari, come quello stazionario o a viscosità costante. L’elaborato si conclude con una breve analisi dell’emissione termica da parte del disco di accrescimento.

Angular momentum of S0 galaxies

The aim of this thesis is to study the angular momentum of a sample of S0 galaxies. In the quest to understand whether the formation of S0 galaxies is more closely linked to that of ellipticals or that of spirals, our goal is to compare the amount of their specific angular momentum as a function of stellar mass with respect to spirals. Through kinematic comparison between these different classes of galaxies we aim to understand if a scenario of passive evolution, in which the galaxy’s gas is consumed and the star formation is quenched, can be considered as plausible mechanism to explain the transformation from spirals to S0s. In order to derive the structural and photometric parameters of galaxy sub-components we performed a bulge-disc decomposition of optical images using GALFIT. The stellar kinematic of the galaxies was measured using integral field spectroscopic data from CALIFA survey. The development of new original software, based on a Monte Carlo Markov Chain algorithm, allowed us to obtain the values of the line of sight velocity and velocity dispersion of disc and bulge components. The result that we obtained is that S0 discs have a distribution of stellar specific angular momentum that is in full agreement with that of spiral discs, so the mechanism of simple fading can be considered as one of the most important for transformation from spirals to S0s.

High resolution study of narrow tailed radio galaxies in clusters

Clusters of galaxies are the most massive and large gravitationally bounded systems in the whole Universe. Their study is of fundamental importance to constrain cosmological parameters and to obtain informations regarding various kind of emission in different wavebands. In particular, in the radio domain, beside the diffuse emission, the study is focused on the radio galaxies emission. Radio galaxies in clusters can have peculiar morphology, since they interact with the intracluster medium (ICM) in which they are embedded. Particularly, in this thesis we focused our attention on the so-called Narrow-Angle Tailed radio galaxies (NAT), which present radio jets that are bent at extreme angle, up to 90 degrees, from their original orientation. Some NAT show a narrow extended structure and the two radio tails are not resolved even with high resolution radio observations. An example is provided by the source IC310, in the Perseus Cluster, whose structure has been recently interpreted as due to Doppler boosting effects of a relativistic jet oriented at a small angle with respect to the line of sight. If the structure is due to relativistic effects, this implies that the jets are relativistic at about 400 kpc from the core, but this is in contrast with unified models, which predict that for low-power radio source (NAT are classified as FRI radio galaxies) the jets decelerate to sub-relativistic speed within a few kpc from the core. To investigate this scientific topic, in this thesis we have analyzed the innermost structure of a sample of eleven radio galaxies showing a very narrow NAT structure. We can conclude that the structure of these radio galaxies is different from that of IC310. These radio galaxies are indeed strongly influenced by environmental effects and are similar to classical NAT sources.

Costruzione di un filtro ottimale per la ricerca di ammassi di galassie in survey fotometriche

Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi che possiamo osservare nell’Universo. La loro formazione deriva direttamente dalla crescita delle perturbazioni primordiali di densità e dal loro conseguente collasso gravitazionale indotto appunto dalla gravità. Gli ammassi di galassie sono molto importanti in Astrofisica in quanto possono essere considerati come dei laboratori per lo studio di molti aspetti fisici legati al gas, all’ICM e all’evoluzione delle galassie. Lo studio degli ammassi di galassie è molto importante anche per la Cosmologia in quanto è possibile effettuare delle stime sui parametri cosmologici ed ottenere dei vincoli sulla geometria dell’Universo andando a valutare la loro massa e la loro distribuzione nell’Universo. Diventa quindi fondamentale l’utilizzo di algoritmi che ci permettano di utilizzare i dati ottenuti dalle osservazioni per cercare ed individuare gli ammassi di galassie in modo tale da definire meglio la loro distribuzione nell’Universo. Le più recenti survey di galassie ci forniscono molteplici informazioni a riguardo delle galassie, come ad esempio la loro magnitudine in varie bande osservative, il loro colore, la loro velocità ecc. In questo lavoro abbiamo voluto testare la performance di un algoritmo Optimal Filtering nella ricerca degli ammassi di galassie utilizzando prima solo l’informazione della magnitudine delle galassie e successivamente anche l’informazione sul loro colore. Quello che abbiamo voluto fare, quindi, è stato valutare se l’utilizzo combinato della magnitudine delle galassie e del loro colore permette all’algoritmo di individuare più facilmente, e in numero maggiore, gli ammassi di galassie.

Modelling the size distribution of cosmic voids

The Standard Cosmological Model is generally accepted by the scientific community, there are still an amount of unresolved issues. From the observable characteristics of the structures in the Universe,it should be possible to impose constraints on the cosmological parameters. Cosmic Voids (CV) are a major component of the LSS and have been shown to possess great potential for constraining DE and testing theories of gravity. But a gap between CV observations and theory still persists. A theoretical model for void statistical distribution as a function of size exists (SvdW) However, the SvdW model has been unsuccesful in reproducing the results obtained from cosmological simulations. This undermines the possibility of using voids as cosmological probes. The goal of our thesis work is to cover the gap between theoretical predictions and measured distributions of cosmic voids. We develop an algorithm to identify voids in simulations,consistently with theory. We inspecting the possibilities offered by a recently proposed refinement of the SvdW (the Vdn model, Jennings et al., 2013). Comparing void catalogues to theory, we validate the Vdn model, finding that it is reliable over a large range of radii, at all the redshifts considered and for all the cosmological models inspected. We have then searched for a size function model for voids identified in a distribution of biased tracers. We find that, naively applying the same procedure used for the unbiased tracers to a halo mock distribution does not provide success- full results, suggesting that the Vdn model requires to be reconsidered when dealing with biased samples. Thus, we test two alternative exten- sions of the model and find that two scaling relations exist: both the Dark Matter void radii and the underlying Dark Matter density contrast scale with the halo-defined void radii. We use these findings to develop a semi-analytical model which gives promising results.

Heavily obscured AGN: an ideal laboratory to study the early co-evolution of galaxies and black holes

Obscured AGN are a crucial ingredient to understand the full growth history of super massive black holes and the coevolution with their host galaxies, since they constitute the bulk of the BH accretion. In the distant Universe, many of them are hosted by submillimeter galaxies (SMGs), characterized by a high production of stars and a very fast consumption of gas. Therefore, the analysis of this class of objects is fundamental to investigate the role of the ISM in the early coevolution of galaxies and black holes. We present a multiwavelength study of a sample of six obscured X-ray selected AGN at z>2.5 in the CDF-S, detected in the far-IR/submm bands. We performed the X-ray spectral analysis based on the 7Ms Chandra dataset, which provides the best X-ray spectral information currently available for distant AGN. We were able to place constraints on the obscuring column densities and the intrinsic luminosities of our targets. Moreover, we built up the UV to FIR spectral energy distributions (SEDs) by combining the broad-band photometry from CANDELS and the Herschel catalogs, and analyzed them by means of an SED decomposition technique. Therefore, we derived important physical parameters of both the host galaxy and the AGN. In addition, we obtained, through an empirical calibration, the gas mass in the host galaxy and assessed the galaxy sizes in order to estimate the column density associated with the host ISM. The comparison of the ISM column densities with the values measured from the X-ray spectral analysis pointed out that the contribution of the host ISM to the obscuration of the AGN emission can be substantial, ranging from ~10% up to ~100% of the value derived from the X-ray spectra. The absorption may occur at different physical scales in these sources and, in particular, the medium in the host galaxy is an ingredient that should be taken into account, since it may have a relevant role in driving the early co-evolution of galaxies with their black holes.

La cinematica nel core dell'ammasso globulare NGC 6266 da osservazioni SINFONI

Lo studio delle regioni più interne degli ammassi globulari risulta fondamentale per la ricerca di buchi neri di massa intermedia (IMBH). La scoperta di tali oggetti avrebbe un impatto sostanziale su un gran numero di problemi astrofisici aperti, dalla formazione dei buchi neri supermassicci, all'interpretazione delle Ultra Luminous X-ray Sources, fino allo studio delle onde gravitazionali. Il presente lavoro di tesi si inserisce all'interno di un progetto osservativo mirato a studiare la dinamica interna degli ammassi globulari e volto ad investigare la presenza di IMBH nel centro di tali sistemi tramite l'analisi sistematica dei profili di dispersione di velocità e di rotazione. In questo elaborato presentiamo lo studio della cinematica del core dell'ammasso globulare NGC 6266, realizzato con lo spettrografo a campo integrale IFU-SINFONI, assistito da un sistema di ottiche adattive. Grazie all'utilizzo dell'ottica adattiva, SINFONI è in grado di realizzare osservazioni ad alta risoluzione spaziale e misurare la velocità radiale di stelle individuali anche nelle regioni più interne degli ammassi globulari, dove le misure spettroscopiche tradizionali falliscono a causa dell'elevato crowding stellare. Questo ci ha permesso di determinare il profilo centrale della dispersione di velocità di NGC 6266 dalla misura delle velocità radiali individuali di circa 400 stelle, localizzate negli 11 arcsec più interni dell'ammasso. Utilizzando dati complementari, provenienti da osservazioni realizzate con lo spettrografo multi-oggetto FLAMES, siamo stati in grado di costruire il profilo di dispersione di velocità di NGC 6266 fino ad una distanza radiale di 250 arcsec. Il profilo di dispersione di velocità osservato permette di escludere la presenza di un IMBH di massa superiore a 2500 masse solari e mostra un calo nella regione centrale, simile a quello rilevato in un numero crescente di ammassi globulari, che potrebbe indicare la presenza di anisotropia tangenziale.

The Mass of Kepler-93b and The Composition of Terrestrial Planets

Kepler-93b is a 1.478 ± 0.019 R ⊕ planet with a4.7 day period around a bright (V = 10.2), astroseismicallycharacterized host star with a mass of 0.911 ± 0.033 M⊙ and a radius of 0.919 ± 0.011 R⊙. Based on 86 radial velocity observations obtainedwith the HARPS-N spectrograph on the Telescopio Nazionale Galileo and 32archival Keck/HIRES observations, we present a precise mass estimate of4.02 ± 0.68 M ⊕. The corresponding high densityof 6.88 ± 1.18 g cm-3 is consistent with a rockycomposition of primarily iron and magnesium silicate. We compareKepler-93b to other dense planets with well-constrained parameters andfind that between 1 and 6 M ⊕, all dense planetsincluding the Earth and Venus are well-described by the same fixed ratioof iron to magnesium silicate. There are as of yet no examples of suchplanets with masses >6 M ⊕. All known planets inthis mass regime have lower densities requiring significant fractions ofvolatiles or H/He gas. We also constrain the mass and period of theouter companion in the Kepler-93 system from the long-term radialvelocity trend and archival adaptive optics images. As the sample ofdense planets with well-constrained masses and radii continues to grow,we will be able to test whether the fixed compositional model found forthe seven dense planets considered in this paper extends to the fullpopulation of 1-6 M ⊕ planets.Based on observations made with the Italian Telescopio Nazionale Galileo(TNG) operated on the island of La Palma by the Fundación GalileoGalilei of the INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) at the SpanishObservatorio del Roque de los Muchachos of the Instituto de Astrofisicade Canarias.

Studio multi-banda dal sub-parsec al kilo-parsec dell'emissione del getto nella radio galassia IC 1531

In questo lavoro di tesi si presenta il primo studio multi-scala e multi-frequenza focalizzato sul getto della radiogalassia IC1531 (z=0.026) con i satelliti Chandra, XMM-Newton e Fermi con l’obiettivo di tracciarne l’emissione alle alte energie; definire i processi radiativi responsabili dell’emissione osservata e stimare i principali parametri fisici del getto; stimare l’energetica del getto alle diverse scale. La sorgente è stata selezionata per la presenza di un getto esteso (≈5’’) osservato in radio e ai raggi X, inoltre, era riportata come possibile controparte della sorgente gamma 3FGLJ0009.6-3211 presente nel terzo catalogo Fermi (3FGL). La presenza di emissione ai raggi γ, confermata dal nostro studio, è importante per la modellizzazione della SED della regione nucleare. L’emissione X del nucleo è dominata da una componente ben riprodotta da una legge di potenza con indice spettrale Γ=2.2. L’analisi dell’emissione in banda gamma ha evidenziato una variabilità su scale di 5 giorni, dalla quale è stato possibile stimare le dimensioni delle regione emittente. Inoltre viene presentato lo studio della distribuzione spettrale dell’energia della regione nucleare di IC 1531 dalla banda radio ai raggi γ. I modelli ci permettono di determinare la natura dell’emissione gamma e stimare la potenza cinetica del getto a scale del su-pc. Gli osservabili sono stati utilizzati per ottenere le stime sui parametri del modello. La modellizzazione così ottenuta ha permesso di stimare i parametri fisici del getto e la potenza trasportata del getto a scale del sub-pc. Le stime a 151MHz suggerisco che il getto abbia basse velocita' (Γ≤7) e angolo di inclinazione rispetto alla linea di vista 10°<ϑ<20°; nel complesso, il trasporto di energia da parte del getto risulta efficiente. L’origine dell’emissione X del getto a grandi scale è consistente con un’emissione di sincrotrone, che conferma la classificazione di IC1531 come sorgente di bassa potenza MAGN.

Righe spettrali: formazione, shift ed allargamento

In questo breve elaborato si vuole spiegare l’importanza dello studio di un corpo celeste mediante l’osservazione del suo spettro ovvero un grafico del flusso emesso in funzione della frequenza o della lunghezza d’onda nel quale sono presenti righe spettrali, formate dall’interazione tra materia e radiazione, a causa dell’assorbimento od emissione di fotoni a seguito di transizioni elettroniche, ma anche vibrazionali e rotazionali per le molecole. In particolare, dall’analisi delle righe spettrali si traggono diverse informazioni sull’oggetto, quali, la composizione e l’abbondanza delle specie chimiche che lo compongono in base al tipo di righe presenti e alla loro intensità, si deduce la temperatura e la pressione dell’oggetto studiato dalla larghezza di queste, ancora, informazioni sul moto relativo e la distanza dall’osservatore misurando lo shift delle righe; infine densità e campi magnetici del mezzo interstellare. Per molti oggetti astronomici, troppo distanti, lo studio dello spettro è l’unico modo per trarre conclusioni sulla loro natura. Per questo, nel primo capitolo si ricava l’equazione del trasporto radiativo, soffermandosi sui processi che regolano l’assorbimento e l’emissione di energia. Il secondo capitolo invece, tratta il caso particolare delle atmosfere stellari, nel quale si ricava, con una serie di approssimazioni fatte sull’equazione del trasporto radiativo, quale parte osserviamo di una stella e dove si formano le righe spettrali. Successivamente ci si è concentrati sui meccanismi che portano alla formazione delle righe spettrali, analizzando sia le transizioni radiative con i coefficienti di Einstein, sia quelle collisionali, e distinguendo tra transizioni permesse o proibite con le regole di selezione. Infine si sono esaminate le informazioni che si possono ricavare dalle righe spettrali, approfondendo sui fenomeni di shift e modifica di queste, descrivendo più nel dettaglio la riga a 21 cm dell’atomo di idrogeno, fondamentale in astrofisica.

Analytic modelling of the galactic fountain in the Milky Way potential

Le galassie a spirale, come la Via Lattea, sono caratterizzate dalla presenza di gas freddo e formazione stellare e vengono perciò chiamate star-forming. Per creare nuove stelle è necessaria una sufficiente riserva di gas, la cui disponibilità governa l’evoluzione della galassia stessa. Finora, non è stato individuato con certezza un meccanismo che possa alimentare la formazione di nuove stelle nelle galassie star-forming. Una delle possibili sorgenti di tale gas è l’alone galattico caldo (corona galattica) il cui raffreddamento e successivo accrescimento possono essere stimolati dal processo di fontana galattica. L’esplosione di supernovae porta nubi di gas freddo in orbita al di sopra del disco stellare; queste nubi raggiungono altezze dell’ordine del kiloparsec, interagendo con la corona di gas caldo. Il moto delle nubi all’interno di un mezzo meno denso comporta l’instaurarsi dell’instabilità di Kelvin-Helmholtz, che ’strappa’ gas dalle nubi e causa la condensazione di materia coronale. Quest’ultima viene quindi accresciuta e, ricadendo sul disco, trasferisce nuovo materiale alla galassia e ne alimenta la formazione stellare. Lo scopo di questa tesi è derivare un modello analitico di fontana galattica che consenta di ottenere una formulazione analitica per il tempo orbitale, cioè il tempo richiesto alle nubi per ricadere sul disco galattico. Infatti, più u tempo le nubi impiegano per attraversare il materiale coronale caldo e ricadere sul disco, più materiale viene accresciuto durante l’orbita. Conoscendo i tempi orbitali sarebbe possibile calcolare il tasso di accrescimento legato al fenomeno di fontana e studiarne l’andamento con il raggio del disco. Questo modello potrebbe rivelarsi utile per lo studio dell’impatto della fontana nell’evoluzione globale del disco galattico e della chimica dell’intera galassia.

Investigating the AGN-starburst connection in a nearby Seyfert galaxy with ALMA and multiwavelength data

The astrophysical context in which this thesis project lies concerns the comprehension of the mutual interaction between the accretion onto a Super Massive Black Hole (SMBH) and the Star Formation (SF), that take place in the host galaxy. This is one of the key topic of the modern extragalactic astrophysical research. Indeed, it is widely accepted that to understand the physics of a galaxy, the contribution of a possible central AGN must be taken into account. The aim of this thesis is the study of the physical processes of the nearby Seyfert galaxy NGC 34. This source was selected because of the wide collection of multiwavelength data available in the literature. In addition, recently, it has been observed with the Atacama Large Submillimeter/Millimeter Array (ALMA) in Band 9. This project is divided in two main parts: first of all, we reduced and analyzed the ALMA data, obtaining the continuum and CO(6-5) maps; then, we looked for a coherent explaination of NGC 34 physical characteristics. In particular, we focused on the ISM physics, in order to understand its properties in terms of density, chemical composition and dominant radiation field (SF or accretion). This work has been done through the analysis of the spectral distribution of several CO transitions as a function of the transition number (CO SLED), obtained joining the CO(6-5) line with other transitions available in the literature. More precisely, the observed CO SLED has been compared with ISM models, including Photo-Dissociation Regions (PDRs) and X-ray-Dominated Regions (XDRs). These models have been obtained through the state-of-the-art photoionization code CLOUDY. Along with the observed CO SLED, we have taken into account other physical properties of NGC 34, such as the Star Formation Rate (SFR), the gas mass and the X-ray luminosity.