Dinamica delle galassie a spirale e delle galassie ellittiche

La tesi si propone di dare una caratterizzazione generale sulla dinamica delle galassie, in particolare, il caso ellittico e a spirale. Nel primo capitolo, sono state esposte le scale delle grandezze fisiche che caratterizzano e definiscono una galassia e gli aspetti osservativi che hanno portato a distinguerne poche grossolane categorie in base a proprietà visive, mostrando importanti correlazioni con proprietà morfologiche e strutturali. Nel secondo capitolo, corpo principale dell'elaborato, vengono motivate le principali ipotesi che permettono di trattare una generica galassia, assunta composta da un numero N di stelle come un non collisionale, portando vantaggi di semplificazione del problema: si parte dall'ipotesi di approssimazione delle stelle come punti materiali, fino a trascurare la granularità del sistema, entro un tempo scala detto tempo di rilassamento. Segue una trattazione di estrapolazione di informazioni dalle equazioni che descrivono il moto e una breve esposizione della principale distinzione tra un fluido ordinario e un fluido non collisionale, derivante dalla stessa ipotesi di sistema non collisionale. Il terzo capitolo si propone di dare alcune applicazioni, alle galassie ellittiche e spirali, dei risultati teorici trattati nel capitolo precedente, con brevi riscontri nell'ambito osservativo. Nel caso delle galassie a spirale si accenna alla principale motivazione che ha portato all'ipotesi dell'esistenza della materia oscura e vengono illustrati qualitativamente, i modelli più semplici di descrizione della dinamica dei bracci.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Development and testing of the atlas ibl rod pre production boards

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente la progettazione, simulazione e test di laboratorio di tre versioni successive di schede VME, chiamate Read Out Driver (ROD), che sono state fabbricate per l'upgrade del 2014 dell'esperimento ATLAS Insertable B-Layer (IBL) al CERN. IBL è un nuovo layer che diverrà parte del Pixel Detector di ATLAS. Questa tesi si compone di una panoramica descrittiva dell'esperimento ATLAS in generale per poi concentrarsi sulla descrizione del layer specifico IBL. Inoltre tratta in dettaglio aspetti fisici e tecnici: specifiche di progetto, percorso realizzativo delle schede e test conseguenti. Le schede sono state dapprima prodotte in due prototipi per testare le prestazioni del sistema. Queste sono state fabbricate al fine di valutare le caratteristiche e prestazioni complessive del sistema di readout. Un secondo lotto di produzione, composto di cinque schede, è stato orientato alla correzione fine delle criticità emerse dai test del primo lotto. Un'indagine fine e approfondita del sistema ha messo a punto le schede per la fabbricazione di un terzo lotto di altre cinque schede. Attualmente la produzione è finita e complessivamente sono state realizzate 20 schede definitive che sono in fase di test. La produzione sarà validata prossimamente e le 20 schede verranno consegnate al CERN per essere inserite nel sistema di acquisizione dati del rivelatore. Al momento, il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell'Università di Bologna è coinvolto in un esperimento a pixel solamente attravers IBL descritto in questa tesi. In conclusione, il lavoro di tesi è stato prevalentemente focalizzato sui test delle schede e sul progetto del firmware necessario per la calibrazione e per la presa dati del rivelatore.

Analisi del ciclo di fabbricazione di un oblò

In questo elaborato si analizza il ciclo di fabbricazione di un oblò circolare apribile in acciaio inox, destinato all'ambito nautico, e si approfondiscono tutte le fasi di lavorazione del prodotto.

Hydrodynamical simulations of early-type galaxies: effects of galaxy shape and stellar dynamics on hot coronae

Early-Type galaxies (ETGs) are embedded in hot (10^6-10^7 K), X-ray emitting gaseous haloes, produced mainly by stellar winds and heated by Type Ia supernovae explosions, by the thermalization of stellar motions and occasionally by the central super-massive black hole (SMBH). In particular, the thermalization of the stellar motions is due to the interaction between the stellar and the SNIa ejecta and the hot interstellar medium (ISM) already residing in the ETG. A number of different astrophysical phenomena determine the X-ray properties of the hot ISM, such as stellar population formation and evolution, galaxy structure and internal kinematics, Active Galactic Nuclei (AGN) presence, and environmental effects. With the aid of high-resolution hydrodynamical simulations performed on state-of-the-art galaxy models, in this Thesis we focus on the effects of galaxy shape, stellar kinematics and star formation on the evolution of the X-ray coronae of ETGs. Numerical simulations show that the relative importance of flattening and rotation are functions of the galaxy mass: at low galaxy masses, adding flattening and rotation induces a galactic wind, thus lowering the X-ray luminosity; at high galaxy masses the angular momentum conservation keeps the central regions of rotating galaxies at low density, whereas in non-rotating models a denser and brighter atmosphere is formed. The same dependence from the galaxy mass is present in the effects of star formation (SF): in light galaxies SF contributes to increase the spread in Lx, while at high galaxy masses the halo X-ray properties are marginally sensitive to SF effects. In every case, the star formation rate at the present epoch quite agrees with observations, and the massive, cold gaseous discs are partially or completely consumed by SF on a time-scale of few Gyr, excluding the presence of young stellar discs at the present epoch.

The evolution of massive clumps in star forming regions

In this thesis two related arguments are investigated: - The first stages of the process of massive star formation, investigating the physical conditions and -properties of massive clumps in different evolutionary stages, and their CO depletion; - The influence that high-mass stars have on the nearby material and on the activity of star formation. I characterise the gas and dust temperature, mass and density of a sample of massive clumps, and analyse the variation of these properties from quiescent clumps, without any sign of active star formation, to clumps likely hosting a zero-age main sequence star. I briefly discuss CO depletion and recent observations of several molecular species, tracers of Hot Cores and/or shocked gas, of a subsample of these clumps. The issue of CO depletion is addressed in more detail in a larger sample consisting of the brightest sources in the ATLASGAL survey: using a radiative tranfer code I investigate how the depletion changes from dark clouds to more evolved objects, and compare its evolution to what happens in the low-mass regime. Finally, I derive the physical properties of the molecular gas in the photon-dominated region adjacent to the HII region G353.2+0.9 in the vicinity of Pismis 24, a young, massive cluster, containing some of the most massive and hottest stars known in our Galaxy. I derive the IMF of the cluster and study the star formation activity in its surroundings. Much of the data analysis is done with a Bayesian approach. Therefore, a separate chapter is dedicated to the concepts of Bayesian statistics.

Cosmic-Lab: Optical companions to binary Millisecond Pulsars

Millisecond Pulsars (MSPs) are fast rotating, highly magnetized neutron stars. According to the "canonical recycling scenario", MSPs form in binary systems containing a neutron star which is spun up through mass accretion from the evolving companion. Therefore, the final stage consists of a binary made of a MSP and the core of the deeply peeled companion. In the last years, however an increasing number of systems deviating from these expectations has been discovered, thus strongly indicating that our understanding of MSPs is far to be complete. The identification of the optical companions to binary MSPs is crucial to constrain the formation and evolution of these objects. In dense environments such as Globular Clusters (GCs), it also allows us to get insights on the cluster internal dynamics. By using deep photometric data, acquired both from space and ground-based telescopes, we identified 5 new companions to MSPs. Three of them being located in GCs and two in the Galactic Field. The three new identifications in GCs increased by 50% the number of such objects known before this Thesis. They all are non-degenerate stars, at odds with the expectations of the "canonical recycling scenario". These results therefore suggest either that transitory phases should also be taken into account, or that dynamical processes, as exchange interactions, play a crucial role in the evolution of MSPs. We also performed a spectroscopic follow-up of the companion to PSRJ1740-5340A in the GC NGC 6397, confirming that it is a deeply peeled star descending from a ~0.8Msun progenitor. This nicely confirms the theoretical expectations about the formation and evolution of MSPs.

Homogeneous analysis of a sample of Open Clusters in the context of the BOCCE project and the Gaia-ESO Survey

The open clusters (OC) are gravitationally bound systems of a few tens or hundreds of stars. In our Galaxy, the Milky Way, we know about 3000 open clusters, of very different ages in the range of a few millions years to about 9 Gyr. OCs are mainly located in the Galactic thin disc, with distances from the Galactic centre in the range 4-22 kpc and a height scale on the disc of about 200 pc. Their chemical properties trace those of the environment in which they formed and the metallicity is in the range -0.5<[Fe/H]<+0.5 dex. Through photometry and spectroscopy it is possible to study relatively easily the properties of the OCs and estimate their age, distance, and chemistry. For these reasons they are considered primary tracers of the chemical properties and chemical evolution of the Galactic disc. The main subject of this thesis is the comprehensive study of several OCs. The research embraces two different projects: the Bologna Open Cluster Chemical Evolution project (BOCCE) and the Gaia-ESO Survey. The first is a long-term programme, aiming at studying the chemical evolution of the Milky Way disc by means of a homogeneous sample of OCs. The latter is a large public spectroscopy survey, conducted with the high-resolution spectrograph FLAMES@VLT and targeting about 10^5 stars in different part of the Galaxy and 10^4 stars in about 100 OCs. The common ground between the two projects is the study of the properties of the OCs as tracers of the disc's characteristics. The impressive scientific outcome of the Gaia-ESO Survey and the unique framework of homogeneity of the BOCCE project can propose, especially once combined together, a much more accurate description of the properties of the OCs. In turn, this will give fundamental constraints for the interpretation of the properties of the Galactic disc.

Development of new tools and devices for CMB and foreground data analysis and future experiments

The discovery of the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation in 1965 is one of the fundamental milestones supporting the Big Bang theory. The CMB is one of the most important source of information in cosmology. The excellent accuracy of the recent CMB data of WMAP and Planck satellites confirmed the validity of the standard cosmological model and set a new challenge for the data analysis processes and their interpretation. In this thesis we deal with several aspects and useful tools of the data analysis. We focus on their optimization in order to have a complete exploitation of the Planck data and contribute to the final published results. The issues investigated are: the change of coordinates of CMB maps using the HEALPix package, the problem of the aliasing effect in the generation of low resolution maps, the comparison of the Angular Power Spectrum (APS) extraction performances of the optimal QML method, implemented in the code called BolPol, and the pseudo-Cl method, implemented in Cromaster. The QML method has been then applied to the Planck data at large angular scales to extract the CMB APS. The same method has been applied also to analyze the TT parity and the Low Variance anomalies in the Planck maps, showing a consistent deviation from the standard cosmological model, the possible origins for this results have been discussed. The Cromaster code instead has been applied to the 408 MHz and 1.42 GHz surveys focusing on the analysis of the APS of selected regions of the synchrotron emission. The new generation of CMB experiments will be dedicated to polarization measurements, for which are necessary high accuracy devices for separating the polarizations. Here a new technology, called Photonic Crystals, is exploited to develop a new polarization splitter device and its performances are compared to the devices used nowadays.

Enhancing the efficiency of solar concentrators by controlled optical aberrations

The diameters of traditional dish concentrators can reach several tens of meters, the construction of monolithic mirrors being difficult at these scales: cheap flat reflecting facets mounted on a common frame generally reproduce a paraboloidal surface. When a standard imaging mirror is coupled with a PV dense array, problems arise since the solar image focused is intrinsically circular. Moreover, the corresponding irradiance distribution is bell-shaped in contrast with the requirement of having all the cells under the same illumination. Mismatch losses occur when interconnected cells experience different conditions, in particular in series connections. In this PhD Thesis, we aim at solving these issues by a multidisciplinary approach, exploiting optical concepts and applications developed specifically for astronomical use, where the improvement of the image quality is a very important issue. The strategy we propose is to boost the spot uniformity acting uniquely on the primary reflector and avoiding the big mirrors segmentation into numerous smaller elements that need to be accurately mounted and aligned. In the proposed method, the shape of the mirrors is analytically described by the Zernike polynomials and its optimization is numerically obtained to give a non-imaging optics able to produce a quasi-square spot, spatially uniform and with prescribed concentration level. The freeform primary optics leads to a substantial gain in efficiency without secondary optics. Simple electrical schemes for the receiver are also required. The concept has been investigated theoretically modeling an example of CPV dense array application, including the development of non-optical aspects as the design of the detector and of the supporting mechanics. For the method proposed and the specific CPV system described, a patent application has been filed in Italy with the number TO2014A000016. The patent has been developed thanks to the collaboration between the University of Bologna and INAF (National Institute for Astrophysics).

Il diagramma h-r

Il diagramma H-R: - la definizione e la costruzione del diagramma H-R; - le classi principali di stelle nel diagramma H-R; - massa e raggio delle stelle nel diagramma H-R; - diagramma H-R ed evoluzione stellare; - il diagramma osservativo (magnitudine-colore); - diagramma CM di ammassi stellari; - le sequenze evolutive nel diagramma CM; - le reazioni termonucleari connesse a ciascuna fase evolutiva.

The APSEL4D Monolithic Active Pixel Sensor and its Usage in a Single Electron Interference Experiment

We have realized a Data Acquisition chain for the use and characterization of APSEL4D, a 32 x 128 Monolithic Active Pixel Sensor, developed as a prototype for frontier experiments in high energy particle physics. In particular a transition board was realized for the conversion between the chip and the FPGA voltage levels and for the signal quality enhancing. A Xilinx Spartan-3 FPGA was used for real time data processing, for the chip control and the communication with a Personal Computer through a 2.0 USB port. For this purpose a firmware code, developed in VHDL language, was written. Finally a Graphical User Interface for the online system monitoring, hit display and chip control, based on windows and widgets, was realized developing a C++ code and using Qt and Qwt dedicated libraries. APSEL4D and the full acquisition chain were characterized for the first time with the electron beam of the transmission electron microscope and with 55Fe and 90Sr radioactive sources. In addition, a beam test was performed at the T9 station of the CERN PS, where hadrons of momentum of 12 GeV/c are available. The very high time resolution of APSEL4D (up to 2.5 Mfps, but used at 6 kfps) was fundamental in realizing a single electron Young experiment using nanometric double slits obtained by a FIB technique. On high statistical samples, it was possible to observe the interference and diffractions of single isolated electrons traveling inside a transmission electron microscope. For the first time, the information on the distribution of the arrival time of the single electrons has been extracted.

Supernovae di tipo Ia: Sistemi progenitori e modelli di esplosione

Il lavoro di tesi esamina i plausibili sistemi progenitori per le supernovae di tipo di Ia e analizza i principali modelli di esplosione studiati ed implementati dai gruppi di ricerca per le SNe Ia.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Una stella non è un sistema in "vero" equilibrio termodinamico: perde costantemente energia, non ha una composizione chimica costante nel tempo e non ha nemmeno una temperatura uniforme. Ma, in realtà, i processi atomici e sub-atomici avvengono in tempi così brevi, rispetto ai tempi caratteristici dell'evoluzione stellare, da potersi considerare sempre in equilibrio. Le reazioni termonucleari, invece, avvengono su tempi scala molto lunghi, confrontabili persino con i tempi di evoluzione stellare. Inoltre il gradiente di temperatura è dell'ordine di 1e-4 K/cm e il libero cammino medio di un fotone è circa di 1 cm, il che ci permette di assumere che ogni strato della stella sia uno strato adiabatico a temperatura uniforme. Di conseguenza lo stato della materia negli interni stellari è in una condizione di ``quasi'' equilibrio termodinamico, cosa che ci permette di descrivere la materia attraverso le leggi della Meccanica Statistica. In particolare lo stato dei fotoni è descritto dalla Statistica di Bose-Einstein, la quale conduce alla Legge di Planck; lo stato del gas di ioni ed elettroni non degeneri è descritto dalla Statistica di Maxwell-Boltzmann; e, nel caso di degenerazione, lo stato degli elettroni è descritto dalla Statistica di Fermi-Dirac. Nella forma più generale, l'equazione di stato dipende dalla somma dei contributi appena citati (radiazione, gas e degenerazione). Vedremo prima questi contributi singolarmente, e dopo li confronteremo tra loro, ottenendo delle relazioni che permettono di determinare quale legge descrive lo stato fisico di un plasma stellare, semplicemente conoscendone temperatura e densità. Rappresentando queste condizioni su un piano $\log \rho \-- \log T$ possiamo descrivere lo stato del nucleo stellare come un punto, e vedere in che stato è la materia al suo interno, a seconda della zona del piano in cui ricade. È anche possibile seguire tutta l'evoluzione della stella tracciando una linea che mostra come cambia lo stato della materia nucleare nelle diverse fasi evolutive. Infine vedremo come leggi quantistiche che operano su scala atomica e sub-atomica siano in grado di influenzare l'evoluzione di sistemi enormi come quelli stellari: infatti la degenerazione elettronica conduce ad una massa limite per oggetti completamente degeneri (in particolare per le nane bianche) detta Massa di Chandrasekhar.

Classificazione delle galassie: Caratteristiche morfologiche, fotometriche e cinematiche

In questa tesi si cercherà di passare in rassegna le caratteristiche fondamentali dei principali tipi galattici. Dopo un breve ex-cursus storico, si passerà al primo capitolo, nel quale si osserverà come le prime catalogazioni si siano basate sulla morfologia di questi oggetti. Si cercherà quindi di mostrare come molte grandezze fisiche siano strettamente legate all’aspetto che questi oggetti celesti mostrano. Nel secondo capitolo verranno trattate le principali caratteristiche fotometriche: si mostreranno isofote di galassie ellittiche, si accennerà al fenomeno dell’isophotal twist, si introdurranno diversi profili di brillanza, sia per galassie ellittiche che per galassie a spirale. Nel terzo ed ultimo capitolo si tratteranno le caratteristiche cinematiche dei due principali tipi galattici. Riusciremo, a questo punto, a trovare una relazione tra l’isophotal twist e le caratteristiche cinematiche delle galassie ellittiche. Dopo aver introdotto il concetto di dispersione di velocità, sarà possibile introdurre brevemente il piano fondamentale, importante relazione tra le caratteristiche principali delle galassie ellittiche. Si discuterà infine della particolare curva di rotazione delle galassie a spirale, la cui velocità si mantiene costante ben oltre i limiti di quanto si possa stimare osservando la materia visibile; questa peculiarità delle galassie a spirale ha portato direttamente all’idea che possa esserci della materia oscura in grado di esercitare una attrazione gravitazionale sulla materia ordinaria.