A multifrequency study of the Lockman Hole region: preparing for a LOFAR deep survey

In this thesis, we have presented two deep 1.4 GHz and 345 MHz overlapping surveys of the Lockman Hole field taken with the Westerbork Synthesis Radio Telescope. We extracted a catalogue of ~6000 radio sources from the 1.4 GHz mosaic down to a flux limit of ~55 μJy and a catalogue of 334 radio sources down to a flux limit of ~4 mJy from the inner 7 sq. degree region of the 345 MHz image. The extracted catalogues were used to derive the source number counts at 1.4 GHz and at 345 MHz. The source counts were found to be fully consistent with previous determinations. In particular the 1.4 GHz source counts derived by the present sample provide one of the most statistically robust determinations in the flux range 0.1 < S < 1 mJy. During the commissioning program of the LOFAR telescope, the Lockman Hole field was observed at 58 MHz and 150 MHz. The 150 MHz LOFAR observation is particularly relevant as it allowed us to obtain the first LOFAR flux calibrated high resolution image of a deep field. From this image we extracted a preliminary source catalogue down to a flux limit of ~15 mJy (~10σ), that can be considered complete down to 20‒30 mJy. A spectral index study of the mJy sources in the Lockman Hole region, was performed using the available catalogues ( 1.4 GHz, 345 MHz and 150 MHz) and a deep 610 MHz source catalogue available from the literature (Garn et al. 2008, 2010).

Multiple stellar populations in globular clusters with photometry and low resolution spectroscopy

Our view of Globular Clusters has deeply changed in the last decade. Modern spectroscopic and photometric data have conclusively established that globulars are neither coeval nor monometallic, reopening the issue of the formation of such systems. Their formation is now schematized as a two-step process, during which the polluted matter from the more massive stars of a first generation gives birth, in the cluster innermost regions, to a second generation of stars with the characteristic signature of fully CNO-processed matter. To date, star-to-star variations in abundances of the light elements (C, N, O, Na) have been observed in stars of all evolutionary phases in all properly studied Galactic globular clusters. Multiple or broad evolutionary sequences have also been observed in nearly all the clusters that have been observed with good signal-to-noise in the appropriate photometric bands. The body of evidence suggests that spreads in light-element abundances can be fairly well traced by photometric indices including near ultraviolet passbands, as CNO abundance variations affect mainly wavelengths shorter than ~400 nm owing to the rise of some NH and CN molecular absorption bands. Here, we exploit this property of near ultraviolet photometry to trace internal chemical variations and combined it with low resolution spectroscopy aimed to derive carbon and nitrogen abundances in order to maximize the information on the multiple populations. This approach has been proven to be very effective in (i) detecting multiple population, (ii) characterizing their global properties (i.e., relative fraction of stars, location in the color-magnitude diagram, spatial distribution, and trends with cluster parameters) and (iii) precisely tagging their chemical properties (i.e., extension of the C-N anticorrelation, bimodalities in the N content).

The Universe 10 Billion years ago: Morphologies, Star-formation rates and Galactic-scale winds in z ∼ 2 Galaxies

This thesis is devoted to the study of the properties of high-redsfhit galaxies in the epoch 1 < z < 3, when a substantial fraction of galaxy mass was assembled, and when the evolution of the star-formation rate density peaked. Following a multi-perspective approach and using the most recent and high-quality data available (spectra, photometry and imaging), the morphologies and the star-formation properties of high-redsfhit galaxies were investigated. Through an accurate morphological analyses, the built up of the Hubble sequence was placed around z ~ 2.5. High-redshift galaxies appear, in general, much more irregular and asymmetric than local ones. Moreover, the occurrence of morphological k-­correction is less pronounced than in the local Universe. Different star-formation rate indicators were also studied. The comparison of ultra-violet and optical based estimates, with the values derived from infra-red luminosity showed that the traditional way of addressing the dust obscuration is problematic, at high-redshifts, and new models of dust geometry and composition are required. Finally, by means of stacking techniques applied to rest-frame ultra-violet spectra of star-forming galaxies at z~2, the warm phase of galactic-scale outflows was studied. Evidence was found of escaping gas at velocities of ~ 100 km/s. Studying the correlation of inter-­stellar absorption lines equivalent widths with galaxy physical properties, the intensity of the outflow-related spectral features was proven to depend strongly on a combination of the velocity dispersion of the gas and its geometry.

Chemical and kinematical properties of Blue Straggler stars in Galactic globular clusters

Blue straggler stars (BSSs) are brighter and bluer (hotter) than the main-sequence (MS) turnoff and they are known to be more massive than MS stars.Two main scenarios for their formation have been proposed:collision-induced stellar mergers (COL-BSSs),or mass-transfer in binary systems (MT-BSSs).Depleted surface abundances of C and O are expected for MT-BSSs,whereas no chemical anomalies are predicted for COL-BSSs.Both MT- and COL-BSSs should rotate fast, but braking mechanisms may intervene with efficiencies and time-scales not well known yet,thus preventing a clear prediction of the expected rotational velocities.Within this context,an extensive survey is ongoing by using the multi-object spectrograph FLAMES@VLT,with the aim to obtain abundance patterns and rotational velocities for representative samples of BSSs in several Galactic GCs.A sub-population of CO-depleted BSSs has been identified in 47 Tuc,with only one fast rotating star detected.For this PhD Thesis work I analyzed FLAMES spectra of more than 130 BSSs in four GCs:M4,NGC 6397,M30 and ω Centauri.This is the largest sample of BSSs spectroscopically investigated so far.Hints of CO depletion have been observed in only 4-5 cases (in M30 and ω Centauri),suggesting either that the majority of BSSs have a collisional origin,or that the CO-depletion is a transient phenomenon.Unfortunately,no conclusions in terms of formation mechanism could be drawn in a large number of cases,because of the effects of radiative levitation. Remarkably,however,this is the first time that evidence of radiative levitation is found in BSSs hotter than 8200 K.Finally, we also discovered the largest fractions of fast rotating BSSs ever observed in any GCs:40% in M4 and 30% in ω Centauri.While not solving the problem of BSS formation,these results provide invaluable information about the BSS physical properties,which is crucial to build realistic models of their evolution.

The gaseous halo of the Milky Way

In the last decade, sensitive observations have revealed that disc galaxies are surrounded by multiphase gaseous halos produced by the circulation of gas from the discs to the environment and vice-versa. This Thesis is a study of the gaseous halo of the Milky Way carried out via the modelling of the HI emission and the available absorption-line data. We fitted simple kinematical models to the HI LAB Survey and found that the Galaxy has a massive (~3x10^8 Mo) HI halo extending a few kiloparsecs above the plane. This layer rotates more slowly than the disc and shows a global inflow motion, a kinematics similar to that observed in the HI halos of nearby galaxies. We built a dynamical model of the galactic fountain to reproduce the properties of this layer. In this model, fountain clouds are ejected from the disc by SN feedback and - as suggested by hydrodynamical simulations - triggers the cooling of coronal gas, which is entrained by the cloud wakes and accretes onto the disc when the clouds fall back. For a proper choice of the parameters, the model reproduces well the HI data and predicts an accretion of coronal gas onto the disc at a rate of 2 Mo/yr. We extended this model to the warm-hot component of the halo, showing that most of the ion absorption features observed towards background sources are consistent with being produced in the turbulent wakes that lag behind the fountain clouds. Specifically, the column densities, positions, and velocities of the absorbers are well reproduced by our model. Finally, we studied the gas content of galaxies extracted from a cosmological N-body+SPH simulation, and found that an HI halo with the forementioned properties is not observed, probably due ti the relatively low resolution of the simulations.

Campi magnetici in astrofisica

Vengono descritti alcuni fenomeni legati ai campo magnetici attraverso la magnetoidrodinamica, approfondendo in particolare i modelli e le evidenze in riferimento al caso solare

Dinamica delle galassie a spirale e delle galassie ellittiche

Questa tesi è una panoramica di alcuni concetti base su cui si fonda la dinamica delle galassie. Nel primo capitolo vengono messi in evidenza i concetti più generali dal punto di vista morfologico- strutturale attraverso la classificazione di Hubble. Nel secondo capitolo si mette in evidenza come un sistema possa essere definito non collisionale (attraverso la stima del tempo di rilassamento ai due corpi) e le conseguenze che ne derivano come, per esempio, l' anisotropia dello stesso sistema che conferisce alla galassia la sua classica forma “schiacciata”. Vengono poi descritti la collisional Boltzmann equation (CBE) e il teorema del viriale in forma tensoriale . Integrando la CBE nello spazio delle velocità otteniamo tre equazioni note come equazioni di Jeans: queste hanno una struttura del tutto identica a quelle della fluidodinamica ma con alcune eccezioni significative che non permettono di descrivere completamente la dinamica delle galassie attraverso la fluidodinamica. Il terzo capitolo è un excursus generale sulle galassie ellittiche: dalla loro struttura alla loro dinamica. Dall' applicazione del teorema del viriale ad un sistema ellittico si può notare come la forma “schiacciata” delle galassie sia una conseguenza dell' anisotropia del sistema e sia dovuta solo in minima parte alla rotazione. Successivamente viene presentato un modello galattico (quello di Jeans), che ci permette di calcolare una distribuzione di massa del sistema attraverso un' equazione che purtroppo non ha soluzione unica e quindi ci rende impossibile calcolare il rapporto massa- luminosità. Infine viene descritto il fundamental plane che è una relazione empirica tale per cui ad ogni galassia viene associato un determinato valore di raggio effettivo, dispersione di velocità e luminosità. Nel quarto ed ultimo capitolo viene trattata la dinamica delle parti più esterne di una galassia: disco e bracci. La dinamica del disco è descritta attraverso la curva di rotazione che, come vedremo, ha delle caratteristiche abbastanza diverse da una curva di rotazione di tipo kepleriano (quella che ad esempio descrive l' andamento della velocità in funzione della distanza nel nostro sistema solare). Infine viene descritta la dinamica dei bracci e la teoria delle onde di densità di Lin e Shu, due astronomi americani, che riesce a descrivere compiutamente la nascita e l' evoluzione dei bracci a spirale.

Interpretazione dei fenomeni di trasporto in cristalli organici semiconduttori

Alcuni ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna hanno di recente ottenuto una curva che descrive l’andamento della mobilità in funzione della temperatura a seguito di misure effettuate su un cristallo organico di rubicene che mostra un’interdipendenza delle due variabili molto particolare. Il mio compito è stato cercare di far luce sulle peculiarità di questa curva. Per fare questo mi sono servita di due articoli, frutto di un attuale studio condotto da tre ricercatori dell’Università di Napoli, che ho riportato nel secondo e nel terzo capitolo, che hanno cercato di spiegare il comportamento atipico della mobilità in funzione della temperatura in cristalli organici semiconduttori.

Silicon oxide nitride (sion) films per applicazioni fotovoltaiche

La ricerca, negli ultimi anni, si è concentrata sullo studio di materiali con energy gap più ampio del silicio amorfo a-Si per ridurre gli assorbimenti parassiti all'interno di celle fotovoltaiche ad eterogiunzione. In questo ambito, presso l'Università di Costanza, sono stati depositati layers di silicon oxynitride amorfo a-SiOxNy. Le promettenti aspettative di questo materiale legate all'elevato optical gap, superiore ai 2.0 eV, sono tuttavia ridimensionate dai problemi intrinseci alla struttura amorfa. Infatti la presenza di una grande quantit a di difetti limita fortemente la conducibilita e aumenta gli effetti di degradazione legati alla luce. In quest'ottica, nella presente tesi, sono stati riportati i risultati di analisi spettroscopiche eseguite presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna su campioni di silicon oxynitride nanocristallino nc-SiOxNy, analisi che hanno lo scopo di osservare come la struttura nanocristallina influisca sulle principali proprieta ottiche e sulla loro dipendenza da alcuni parametri di deposizione.

Quasar - variabilità e casualità

Analisi della variabilità temporale dello spettro di AGN e in particolare di Quasar, con definizione di "quasi-periodicità" e "casualità" su lungo e breve periodo, per un suo uso astrofisico mirato alla creazione di un cifrario crittografico.

Meccanismi di produzione di energia in astrofisica

Prima di fornire una formulazione esaustiva dell'onda d'urto, è d'uopo definire il gas come oggetto fisico e le sue principali caratteristiche. Quanto si farà nei paragrafi seguenti quindi, sarà tentare di formalizzare il sistema gassoso dal punto di vista fisico e matematico. Sarà necessario introdurre un modello del sistema (par. 1.1) che ci permetta di lavorare a livello statistico sull'insieme di particelle che lo compongono per caratterizzare le funzioni termodinamiche classiche come medie temporali. Tramite queste considerazioni si stabilirà quali sono le quantità che si conservano nel moto di un fluido e si vedrà che tali leggi di conservazione formano un sistema di 5 equazioni differenziali parziali in 6 incognite. Tramite la linearizzazione di questo sistema si individueranno delle soluzioni chiamate onde sonore che danno un'indicazione sul modo in cui si propagano delle perturbazioni all'interno di un fluido; in particolar modo saranno utili per la determinazione del numero di Mach che rende possibile la distinzione tra due regimi: subsonico e supersonico (par. 1.2). Sarà possibile, a questo punto, indagare il fenomeno dell'onda d'urto (par. 2.1) e, nel dettaglio, due casi particolarmente utili in contesto astrofisico quali: l'onda d'urto per un gas politropico (par. 2.2), un'onda d'urto sferica che avanza verso il suo centro (2.2). Lo scopo di questa trattazione è indagare, o se non altro tentare, quanto avviene in un'esplosione di Supernova (par. 3). Relativamente a questo fenomeno, ne viene data una classificazione sommaria (par. 3.1), mentre particolare attenzione sarà rivolta alle Supernovae di tipo Ia (par. 3.2) che grazie alla loro luminosità standard costituiscono un punto di riferimento nell'Universo visibile.

Corso-laboratorio pls "l'esperimento piu bello": Analisi di un'esperienza di insegnamento/apprendimento della fisica quantistica

In questo elaborato sono stati analizzati i dati raccolti nel Corso-Laboratorio “L’esperimento più bello”, realizzato nel periodo marzo-aprile 2013 nell'ambito delle attività del Piano Lauree Scientifiche del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna. Il Corso, frequentato da studenti volontari del quinto anno di Liceo Scientifico, era finalizzato ad introdurre concetti di Fisica Quantistica seguendo, come filo conduttore, l’esperimento di interferenza con elettroni singoli e le sue varianti. I principali dati considerati e analizzati riguardano le risposte degli studenti a questionari proposti a fine Corso per avere un riscontro sul tipo di coinvolgimento e sul livello di comprensione raggiunto. L’analisi è stata condotta con l’obiettivo specifico di valutare come gli studenti si siano posti di fronte ad alcuni approfondimenti formali sviluppati per interpretare gli esperimenti e come abbiano colto i concetti trattati, ritenuti necessari per entrare nel “nuovo modo di vedere il mondo della quantistica”: il concetto di stato, sovrapposizione, ampiezza di probabilità, entanglement.