Lo studio dell'ammasso globulare NGC1835 nella Grande Nube di Magellano

La distribuzione del valore del raggio di core rispetto all’età cronologica per gli ammassi globulari della Grande Nube di Magellano (LMC) appare alquanto peculiare, poiché tutti gli ammassi più giovani sono caratterizzati da un raggio di core limitato, mentre quelli più vecchi presentano un ampio intervallo di valori. Questo comportamento, noto come “size-age conundrum”, è stato recentemente attribuito ad un diverso livello di evoluzione dinamica degli ammassi più vecchi, con i sistemi con valori elevati del raggio di core dinamicamente più giovani rispetto a quelli con configurazioni più compatte. È attesa dunque un’anticorrelazione tra il valore del raggio di core e l’età dinamica. Questo lavoro di tesi è stato indirizzato allo studio del sistema NGC1835, un ammasso globulare vecchio e compatto della LMC in grado di fornire un’ulteriore conferma del nuovo scenario. Grazie ad immagini ad alta risoluzione acquisite tramite HST è stato possibile studiarne la popolazione stellare, la struttura, l’età cronologica e il grado di evoluzione dinamica. La stima della sua età cronologica (t=12.5±1 Gyr) ha confermato che si tratta di un sistema stellare molto antico, che si è formato all’epoca di formazione della LMC. Il profilo di densità e di brillanza superficiale sono stati utilizzati per derivare le principali caratteristiche strutturali dell’ammasso, come il raggio di core rc e il raggio a metà massa rh. Infine l’età dinamica è stata calcolata tramite il parametro A+, che misura il grado di segregazione radiale delle Blue Straggler Stars. NGC1835 è risultato l’ammasso più compatto (rc=3.60’’) e dinamicamente evoluto (A+=0.28±0.04) finora studiato nella LMC e, inserendosi con precisione all’interno dell’anticorrelazione aspettata tra il raggio di core e A+, ha ulteriormente supportato lo scenario secondo cui il livello di compattezza di un sistema dipende dal suo stadio di evoluzione dinamica.

Dynamics of galaxies in the cluster environment: a resonant origin for the ISP?

The internal dynamics of elliptical galaxies in clusters depends on many factors, including the environment in which the galaxy is located. In addition to the strong encounters with the other galaxies, we can also consider the gravitational interaction with the ubiquitous Cluster Tidal Field (CTF). As recognized in many studies, one possible way in which CTF affects the dynamics of galaxies inside the cluster is related to the fact that they may start oscillating as “rigid bodies” around their equilibrium positions in the field, with the periods of these oscillations curiously similar to those of stellar orbits in the outer parts of galaxies. Resonances between the two motions are hence expected and this phenomenon could significantly contribute to the formation of the Intracluster Stellar Population (ISP), whose presence is abundantly confirmed by observations. In this thesis work, we propose to study the motion of an elliptical galaxy, modelled as a rigid body, in the CTF, especially when its center of mass traces a quasi-circular orbit in the cluster gravitational potential. This case extends and generalizes the previous models and findings, proceeding towards a much more realistic description of galaxy motion. In addition to this, the presence of a further oscillation, namely that of the entire galaxy along its orbit, will possibly increase the probability of having resonances and, consequently, the rate of ISP production nearly to observed values. Thus, after reviewing the dynamics of a rigid body in a generic force field, we will assess some physically relevant studies and report their main results, discussing their implications with respect to our problem. We will conclude our discussion focusing on the more realistic scenario of an elliptical galaxy whose center of mass moves on a quasi-circular orbit in a spherically symmetric potential. The derivation of the fundamental equations of motion will serve as the basis for future modelling and discussions.

La divulgazione dell'astronomia in Italia: il caso del passaggio della Cometa di Halley

Negli ultimi decenni, nella storia delle scienze si è sviluppato un certo interesse per la comunicazione delle discipline verso un pubblico di non specialisti, indicata come divulgazione scientifica. Spesso tale interesse è limitato al mondo anglosassone, mentre per altri Paesi poco è stato scritto. Per quanto riguarda l’Italia la letteratura è ancora abbastanza confinata ai primi decenni successivi all’unificazione nazionale. Si vuole qui fornire un caso di studio per la divulgazione italiana di inizio Novecento, che permetta di osservare come venivano comunicate l’astronomia e la fisica e come esse interagissero nella diffusione delle nuove idee scientifiche: il passaggio della cometa di Halley del 1910 nelle parole del fisico Augusto Righi e dell’astronomo Elia Millosevich. Per contestualizzarle, si affrontano la storia della divulgazione scientifica, con la specificità italiana, e lo sviluppo avvenuto nell’astronomia a partire dall’Ottocento. Si identificano successivamente i criteri di analisi applicati ai testi considerati, partendo dalla letteratura di ricerca in storia e sociologia della scienza. Si traccia poi l’evolversi delle conoscenze sulle comete al passare dei secoli. Si affronta il contesto storico, sociale e culturale in cui si muovono Millosevich e Righi. Di quest’ultimo, fisico bolognese di rilevanza internazionale, si abbozza una breve biografia. Sono poi esposti l’analisi e il confronto dei testi “Sulle comete e in ispecial modo sulla cometa di Halley” di Elia Millosevich e “Comete ed elettroni” di Augusto Righi e si propone uno spunto per possibili studi futuri riguardanti i cambiamenti nella comunicazione scientifica avvenuti nel corso del ventesimo secolo, col ritorno del 1986 della cometa. Infine, nelle Appendici si trovano vari approfondimenti. Nell’affrontare le differenti contestualizzazioni storiche e scientifiche si fa uso sia di letteratura di ricerca che di fonti primarie, risalenti ai diversi periodi considerati.

Misura della non-linearità nella risposta dello scintillatore GAGG:Ce per la missione HERMES

HERMES (High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites) è una missione basata su una costellazione di nano-satelliti in orbita terrestre bassa, ospitanti rivelatori di raggi X e gamma, avente l'obiettivo di indagare l'emissione di Gamma Ray Burst (GRB). Si tratta di un insieme di spettrografi ad alta risoluzione temporale, attivi nella banda 3–2000 keV, che operando congiuntamente sono in grado di localizzare eventi transienti. Questo esperimento fornirà un metodo veloce e complementare alla rivelazione di onde gravitazionali per l'osservazione di eventi brillanti come i GRB nell'ambito dell'astrofisica multimessaggero. Il rivelatore di ogni nano-satellite di HERMES è composto da Silicon Drift Deterctors (SDD) collegati otticamente a cristalli scintillatori di tipo GAGG:Ce. Il GAGG:Ce è uno scintillatore inorganico di nuova generazione (sviluppato attorno al 2012). L'obiettivo di questa tesi è studiare la risposta, in termini di ampiezza assoluta e uscita luce, del GAGG:Ce accoppiato a una SDD, concentrandosi nello studio della risposta non lineare dello scintillatore, dovuta al K-edge del gadolinio all'energia di 50.23 keV, per contribuire all'ottimizzazione della calibrazione strumentale per il satellite HERMES. Per l'esperimento sono stati usati tre diversi campioni di scintillatore GAGG:Ce. L'esperimento si è basato sull'osservazione di sorgenti radioattive di calibrazione e di un fascio monocromatico di fotoni X, prodotto attraverso il generatore disponibile presso la facility LARIX-A dell'Università di Ferrara, con un rivelatore composto dallo scintillatore in analisi letto con una SDD. L'intervallo di energie scelto per il fascio monocromatico è di 20-160 keV, mentre i radioisotopi consentono di acquisire dati anche ad energie maggiori. La risposta dello scintillatore è stata quindi studiata dalla minima energia rivelabile (20-40 keV) all'energia della riga del 137Cs a 661.65 keV.

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

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

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

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

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

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

Magnetic field in the outskirts of PSZ2 G096.88+24.18 from depolarization analysis of radio relics

Radio relics are one of the different types of diffuse radio sources present in a fraction of galaxy clusters. They are characterized by elongated arc-like shapes, with sizes that range between 0.5 and 2 Mpc, and highly polarized emission (up to ∼60%) at GHz frequencies The linearly polarized radiation of relics, moving through a magnetized plasma which is the ICM, is affected by the rotation of the linear polarization vector. This effect, known as “Faraday rotation”, can cause depolarization. The study of this effect allows us to constrain the magnetic field projected along the line of sight. The aim of this thesis work is to constrain the magnetic field intensity and distribution in the periphery of the cluster PSZ2 G096.88+24.18: this cluster hosts a pair of radio relics that can be used for polarization analysis. To analyse the polarization properties of the relics in PSZ2 G096.88+24.18 radio relics we used new Jansky Very Large Array (VLA) observations together with archival observations. The polarization study has been performed using the Rotation Measure Synthesis technique, which allows us to recover polarization, minimizing the bandwidth depolarization. Thanks to this technique, we recovered more polarization from the southern relic (with respect to provious works), We studied also the depolarization trend with the resolution for the southern relic, and found that the polarization fraction decreases with the beamsize. Finally, we have produced simulated magnetic fields models, varying the auto-correlation lengths of the magnetic field, in order to reproduce the observed depolarization trend in the southern relic. Comparing our observational results and model predictions, we were able to constrain the scales over which the turbulent magnetic field varies within the cluster. We conclude that the depolarization observed in the southern relic is likely due to external depolarization caused by the magnetized ICM distribution within the cluster.

Automatic classification of stellar orbits in axisymmetric potentials

Within the classification of orbits in axisymmetric stellar systems, we present a new algorithm able to automatically classify the orbits according to their nature. The algorithm involves the application of the correlation integral method to the surface of section of the orbit; fitting the cumulative distribution function built with the consequents in the surface of section of the orbit, we can obtain the value of its logarithmic slope m which is directly related to the orbit’s nature: for slopes m ≈ 1 we expect the orbit to be regular, for slopes m ≈ 2 we expect it to be chaotic. With this method we have a fast and reliable way to classify orbits and, furthermore, we provide an analytical expression of the probability that an orbit is regular or chaotic given the logarithmic slope m of its correlation integral. Although this method works statistically well, the underlying algorithm can fail in some cases, misclassifying individual orbits under some peculiar circumstances. The performance of the algorithm benefits from a rich sampling of the traces of the SoS, which can be obtained with long numerical integration of orbits. Finally we note that the algorithm does not differentiate between the subtypes of regular orbits: resonantly trapped and untrapped orbits. Such distinction would be a useful feature, which we leave for future work. Since the result of the analysis is a probability linked to a Gaussian distribution, for the very definition of distribution, some orbits even if they have a certain nature are classified as belonging to the opposite class and create the probabilistic tails of the distribution. So while the method produces fair statistical results, it lacks in absolute classification precision.

Vincoli sulla storia di espansione dell’Universo tramite cronometri cosmici nella survey VANDELS

Nel presente lavoro di tesi viene selezionato e analizzato un campione di galassie passive estratte dalla survey VANDELS, con cui condurre uno studio cosmologico basato sul metodo dei cronometri cosmici. Tale metodo rappresenta una sonda cosmologica non standard, che consente di misurare il parametro di Hubble in maniera indipendente dalla cosmologia valutando l’invecchiamento di una popolazione di galassie molto massive e in evoluzione passiva in un dato intervallo di redshift. Per applicare il metodo viene selezionato un campione di cronometri cosmici incrociando diversi criteri complementari, sia fotometrici che spettroscopici, tali da minimizzare la contaminazione da formazione stellare attiva. Il campione ottenuto ha ⟨log(M⋆/M⊙)⟩=10.86±0.03, ⟨log(sSFR/yr−1)⟩=-11.9±0.1 e ⟨EW[OII]⟩=3.3±0.2 Å. Dallo studio delle proprietà spettroscopiche, in particolare degli indici sensibili all’età, esso mostra un progressivo invecchiamento al diminuire del redshift ed evidenza di mass-downsizing. Per la stima delle età si adotta la tecnica del full-spectral fitting, sia sugli spettri che sulla fotometria disponibili, utilizzando il codice Bagpipes. Dai risultati del fit emerge che le galassie individuate hanno, come atteso, metallicità mediamente sotto-solari (⟨Z/Z⊙⟩=0.44±0.01), bassa estinzione da polvere (⟨AV,dust⟩=0.43±0.02 mag) e una fase di formazione stellare breve (⟨τ⟩=0.28±0.02 Gyr). A partire da questi viene costruita la relazione età-redshift mediana per il campione finale di 39 galassie, esplorandone la robustezza con diverse assunzioni di prior e binnaggio. Fittata con un modello fΛCDM, essa permette di ricavare una stima per la costante di Hubble pari a H0 = 67^+14_−15 km/s/Mpc. Infine, con la stessa relazione si applica il metodo dei cronometri cosmici, ottenendo una nuova stima del parametro di Hubble, H(z=1.26) = 135±62 km/s/Mpc. Nell’errore si è tenuto conto anche degli effetti sistematici introdotti dalla scelta del binning e della SFH nel modello di fit.

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

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

The molecular gas content of star-forming galaxies in the ALPINE fields.

In this thesis, I aim to study the evolution with redshift of the gas mass fraction of a sample of 53 sources (from z ∼ 0.5 to z > 5) serendipitously detected in ALMA band 7 as part of the ALMA Large Program to INvestigate C II at Early Times (ALPINE). First, I used SED-fitting software CIGALE, which is able to implement energy balancing between the optical and the far infrared part, to produce a best-fit template of my sources and to have an estimate of some physical properties, such as the star formation rate (SFR), the total infrared luminosity and the total stellar mass. Then, using the tight correlation found by Scoville et al. (2014) between the ISM molecular gas mass and the rest-frame 850 μm luminosity, I used the latter, extrapolating it from the best-fit template using a code that I wrote in Python, as a tracer for the molecular gas. For my sample, I then derived the most important physical properties, such as molecular gas mass, gas mass fractions, specific star formation rate and depletion timescales, which allowed me to better categorize them and find them a place within the evolutionary history of the Universe. I also fitted our sources, via another code I wrote again in Python, with a general modified blackbody (MBB) model taken from the literature (Gilli et al. (2014), D’Amato et al. (2020)) to have a direct method of comparison with similar galaxies. What is evident at the end of the paper is that the methods used to derive the physical quantities of the sources are consistent with each other, and these in turn are in good agreement with what is found in the literature.

Gravitational microscope in MACSJ1206: unveiling galaxy cluster member mass distribution

Gravitational lensing is a powerful tool to investigate the properties of the distribution of matter, be it barionic or dark. In this work we take advantage of Strong Gravitational Lensing to infer the properties of one of the galaxy-scale substructures that makes up the cluster MACSJ1206. It is relatively easy to model the morphology of the visible components of a galaxy, while the morphology of the dark matter distribution cannot be so easily constrained. Being sensitive to the whole mass, strong lensing provides a way to probe DM distribution, and this is the reason why it is the best tool to study the substructure. The goal of this work consists of performing an analysis of the substructure previously mentioned, an early type galaxy (ETG), by analyzing the highly magnified Einstein ring around it, in order to put stringent constraints on its matter distribution, that, for an ETG, is commonly well described by an isothermal profilele. This turns out to be interesting for three main different reasons. It is well known that galaxies in clusters are subject to interaction processes, both dynamic and hydrodynamic, that can significantly modify the distribution of matter within them. Therefore, finding a different profile from the one usually expected could be a sign that the galaxy has undergone processes that have changed its structure. Studying the mass distribution also means studying the dark matter component, which not only still presents great questions today, but which is also not obviously distributed in the same way as in an isolated galaxy. What emerges from the analysis is that the total mass distribution of the galaxy under examination turns out to have a slope much steeper than the isothermal usually expected.

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

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

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

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