Bispectrum of cosmological models with massive neutrinos

Uno dei più importanti campi di ricerca che coinvolge gli astrofisici è la comprensione della Struttura a Grande Scala dell'universo. I principi della Formazione delle Strutture sono ormai ben saldi, e costituiscono la base del cosiddetto "Modello Cosmologico Standard". Fino agli inizi degli anni 2000, la teoria che spiegava con successo le proprietà statistiche dell'universo era la cosiddetta "Teoria Perturbativa Standard". Attraverso simulazioni numeriche e osservazioni di qualità migliore, si è evidenziato il limite di quest'ultima teoria nel descrivere il comportamento dello spettro di potenza su scale oltre il regime lineare. Ciò spinse i teorici a trovare un nuovo approccio perturbativo, in grado di estendere la validità dei risultati analitici. In questa Tesi si discutono le teorie "Renormalized Perturbation Theory"e"Multipoint Propagator". Queste nuove teorie perturbative sono la base teorica del codice BisTeCca, un codice numerico originale che permette il calcolo dello spettro di potenza a 2 loop e del bispettro a 1 loop in ordine perturbativo. Come esempio applicativo, abbiamo utilizzato BisTeCca per l'analisi dei bispettri in modelli di universo oltre la cosmologia standard LambdaCDM, introducendo una componente di neutrini massicci. Si mostrano infine gli effetti su spettro di potenza e bispettro, ottenuti col nostro codice BisTeCca, e si confrontano modelli di universo con diverse masse di neutrini.

Accrescimento di Bondi con electron scattering per buchi neri al centro di galassie

Il modello di Bondi rappresenta il modello di accrescimento più semplice, in quanto studia l'accrescimento su un BH isolato immerso in una distribuzione di gas infinita. In questa semplice trattazione puramente idrodinamica vengono trascurati molti aspetti importanti, come ad esempio il momento angolare, il campo magnetico, gli effetti relativistici, ecc. L'obiettivo di questa Tesi consiste nell'affinare tale modello aggiungendo alcune nuove componenti. In particolare, vogliamo studiare come queste nuove componenti possano influire sul tasso di accrescimento della materia. Dopo una Introduzione (Capitolo 1), nel Capitolo 2 viene presentato il modello di Bondi originale, con lo scopo di ricostruire il procedimento matematico che porta alla soluzione e di verificare il funzionamento del codice numerico scritto per la soluzione dell'equazione di Bondi finale. Tuttavia, il modello di accrescimento sferico stazionario tratta il potenziale gravitazionale di un oggetto puntiforme isolato, mentre in questo lavoro di Tesi si vogliono considerare i BH che si trovano al centro delle galassie. Pertanto, nel Capitolo 3 è stata rivisitata la trattazione matematica del problema di Bondi aggiungendo alle equazioni il potenziale gravitazionale prodotto da una galassia con profilo di densità descritto dal modello di Hernquist. D'altronde, ci si aspetta che l'energia potenziale gravitazionale liberata nell'accrescimento, almeno parzialmente, venga convertita in radiazione. In regime otticamente sottile, nell'interazione tra la radiazione e la materia, domina l'electron scattering, il che permette di estendere in maniera rigorosa la trattazione matematica del problema di Bondi prendendo in considerazione gli effetti dovuti alla pressione di radiazione. Infatti, in un sistema a simmetria sferica la forza esercitata dalla pressione di radiazione segue l'andamento "1/r^2", il che comporta una riduzione della forza gravitazionale della stessa quantità per tutti i raggi. Tale argomento rappresenta l'oggetto di studio del Capitolo 4. L'idea originale alla base di questo lavoro di Tesi, che consiste nell'unire i due modelli sopra descritti (ossia il modello di Bondi con la galassia e il modello di Bondi con feedback radiativo) in un unico modello, è stata sviluppata nel Capitolo 5. Utilizzando questo nuovo modello abbiamo cercato di determinare delle "ricette" per la stima del tasso di accrescimento, da utilizzare nell'analisi dei dati osservativi oppure da considerare nell'ambito delle simulazioni numeriche. Infine, nel Capitolo 6 abbiamo valutato alcune applicazioni del modello sviluppato: come una possibile soluzione al problema di sottoluminosità dei SMBH al centro di alcune galassie dell'universo locale; per la stima della massa del SMBH imponendo la condizione di equilibrio idrostatico; un possibile impiego dei risultati nell'ambito dei modelli semi-analitici di coevoluzione di galassie e SMBH al centro di esse.

Inflazione cosmica e onde gravitazionali primordiali

La teoria dell'inflazione risolve alcuni problemi fondamentali posti dalla teoria standard dell'origine dell'universo, in particolare chiarisce perché l'universo è piatto e omogeneo quando secondo la cosmologia standard non lo dovrebbe essere (o meglio: lo potrebbe essere solo con probabilità molto bassa). Inoltre la teoria dell'inflazione spiega l'origine delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo e in tal modo l'inflazione è responsabile anche dell'origine della struttura a grande scala dell'universo. La teoria inflazionaria presenta la possibilità di una conferma sperimentale. Alcune sue predizioni sono già state verificate e una forte prova era sembrata venire dall'esperimento BICEP2, ma per ora (novembre 2014) non c'è stata una conferma. Nello specifico, l'esperimento BICEP2 aveva dichiarato a marzo 2014 di aver rilevato nella radiazione cosmica di fondo il segnale di onde gravitazionali che potevano essere state provocate soltanto dall'inflazione. La presente tesi descrive gli aspetti classici (non quantistici) della teoria dell'inflazione, riporta i risultati relativi alla trattazione quantistica delle perturbazioni della radiazione cosmica di fondo e illustra la questione delle verifiche sperimentali della teoria dell'inflazione, dedicando particolare rilievo al recente esperimento BICEP2.

Cenni al modello del big bang, inflazione e materia oscura

Il presente lavoro intende offrire un riassunto dello “stato dell’arte” della Cosmologia: dopo averne ripercorso per sommi capi la storia degli ultimi cent’anni (cap.1), verrà illustrato il Modello Cosmologico Standard “ΛCDM” (cap.2), che è quello generalmente accettato dalla comunità scientifica allo stato attuale delle conoscenze; infine, si farà un breve “excursus” sulle questioni “aperte” e sui modelli cosmologici alternativi (cap.3).

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

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

The relation between mass and concentration in x-ray galaxy clusters at high-redshift.

In this Thesis work we have studied the properties of high-redshift galaxy clusters through the X-ray emission from their intracluster gas. In particular, we have focused on the relation between concentration and mass that is related to the density of the universe at the formation time of the clusters and therefore, it is a powerful cosmological probe. Concentration is expected to be a decreasing function of mass but a complete characterization of this relation has not been reached yet. We have analysed 22 clusters observed withe the Chandra satellite at high redshift and we have investigated the concentration-mass relation.

Non-thermal properties of two galaxy filament candidates from JVLA observations

Large-scale structures can be considered an interesting and useful "laboratory" to better investigate the Universe; in particular the filaments connecting clusters and superclusters of galaxies can be a powerful tool for this intent, since they are not virialised systems yet. The large structures in the Universe have been studied in different bands, in particular the present work takes into consideration the emission in the radio band. In the last years both compact and diffuse radio emission have been detected, revealing to be associated to single objects and clusters of galaxies respectively. The detection of these sources is important, because the radiation process is the synchrotron emission, which in turn is linked to the presence of a magnetic field: therefore studying these radio sources can help in investigating the magnetic field which permeates different portions of space. Furthermore, radio emission in optical filaments have been detected recently, opening new chances to further improve the understanding of structure formation. Filaments can be seen as the net which links clusters and superclusters. This work was made with the aim of investigating non-thermal properties in low-density regions, looking for possible filaments associated to the diffuse emission. The analysed sources are 0917+75, which is located at a redshift z = 0.125, and the double cluster system A399-A401, positioned at z = 0.071806 and z = 0.073664 respectively. Data were taken from VLA/JVLA observations, and reduced and calibrated with the package AIPS, following the standard procedure. Isocountour and polarisation maps were yielded, allowing to derive the main physical properties. Unfortunately, because of a low quality data for A399-A401, it was not possible to see any radio halo or bridge.

Connection between x-ray and radio properties of cool-core galaxy clusters hosting radio mini-halos

Gli ammassi di galassie sono gli oggetti gravitazionalmente legati più grandi dell’Universo. Questi emettono principalmente in banda X tramite bremsstrahlung. Una frazione mostra anche emissione radio diffusa da parte di elettroni relativistici che spiraleggiano nel campo magnetico. Si possono classificare tre tipi di emissione: alon, relitti e mini-aloni radio (MH). I MH sono sorgenti radio su scale di ≥ 200 – 500 kpc, osservate al centro di ammassi caratterizzati dalla presenze di cool-core (CC). L’origine dei MH non è ancora chiara. Gli elettroni relativistici che emettono in banda radio hanno tempi di vita radiativi di molto inferiori a quelli necessari per diffondere sulle scale dell’emissione diffusa. Quindi non sono semplicemente iniettati dalle galassie presenti negli ammassi ed è necessario un meccanismo di accelerazione “in-situ” nell’ICM. I MH testimoniano la presenza di meccanismi che canalizzano parte del budget energetico disponibile nei CC nell’ICM.Quindi lo studio è importante per comprendere la fisica dell’ICM e l’interazione fra le componenti non termiche e termiche. I MH si formano attraverso la riaccelerazione delle particelle relativistiche ad opera della turbolenza del gas. L’origine di questa turbolenza tuttavia non è ancora ben compresa. Gli ammassi CC sono caratterizzati da un picco della brillanza X nelle regioni centrali e da un drop della temperatura verso il centro accompagnata da aumento della densità del gas. Si ritiene che questo sia dovuto al raffreddamento del gas che quindi fluisce nelle zone centrali. Recenti osservazioni in X risultan inconsistenti con il modello classico di CF, suggerendo la presenza di una sorgente di riscaldamento del gas su scale del core degli ammassi. Recentemente Zhuravleva (2014) hanno mostrato che il riscaldamento dovuto alla turbolenza prodotta dall'AGN centrale è in grado di bilanciare il processo di raffreddamento. Abbiamo assunto che la turbolenza responsabile del riscaldamento del gas è anche responsabile dell’accelerazione delle particelle nei MH. Nell’ambito di questo scenario ci si aspetta una correlazione tra la potenza del cooling flow, PCF, che è una misura del tasso di energia emessa dal gas che raffredda nei CC, e la luminosità radio, che è una frazione dell’energia della turbolenza che è canalizzata nell’accelerazione delle particelle. In questo lavoro di tesi abbiamo utilizzato il più grande campione disponibile di MH, allo scopo di studiare la connessione fra le proprietà dei MH e quelle del gas termico nei core degli ammassi che li ospitano. Abbiamo analizzato i dati di 21 ammassi e ricavato i parametri fisici all’interno del raggio di cooling e del MH. Abbiamo ricavato la correlazione fra luminosità radio, e PCF. Abbiamo trovato che le due quantità correlano in modo quasi-lineare confermando i risultati precedenti. Tale correlazione suggerisce uno stretto legame fra le proprietà del gas nei CC e l’origine dei MH.

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

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

Inflazione cosmologica R^2

Lo scopo di questa tesi è illustrare il paradigma dell’inflazione cosmologica descrivendo in particolare la teoria dell’inflazione R^2. In una prima sezione si fa riferimento al contesto della relatività generale per descrivere l’universo su larga scala. Vengono prese in esame le ipotesi utilizzate per ottenere il modello standard della cosmologia e le principali proprietà che da esso possono essere ricavate. Si focalizza quindi l’analisi sulla descrizione dell’universo primordiale da cui traggono origine le ipotesi dell’esistenza dell’epoca inflazionaria esponendo, in particolare, come questa teoria riesca a risolvere i problemi della piattezza e dell’orizzonte cosmologico. Viene poi descritto come la fase di espansione esponenziale richiesta da queste ipotesi possa essere generata dalla presenza di un campo scalare φ specifico. Particolare risalto è dato alla descrizione dell’approssimazione di ”slow-roll” ed ai vincoli sul numero di ”e-folding”. Una seconda sezione mostra l’applicazione dell’analisi generale esposta in precedenza al modello di inflazione di Starobinsky. A tal fine sono descritte le caratteristiche delle teorie della gravità f(R) con particolare attenzione alle trasformazioni conformi e scelta del frame. Attraverso l’esposizione delle equazioni di campo cosmologiche nella teoria della gravità R^2 si mostra come il processo di espansione inflazionaria dell’universo nelle sue fasi iniziali possa essere descritto da un comportamento non standard della gravità ad alte energie. Sono riportati i risultati principali ottenuti con questa teoria nel frame di Jordan e in quello di Einstein. La conclusione descrive in sintesi lo stato attuale delle osservazioni sperimentali e come queste abbiano un legame stretto con la teoria delle perturbazioni cosmologiche. In particolare, presentando i risultati ottenuti nel contesto dell’inflazione R^2 ed esponendo gli ultimi dati raccolti dall’esperimento Planck, si analizza come il modello sia in accordo con i dati sperimentali attualmente disponibili.

L'evoluzione della funzione di massa stellare delle galassie: un test per i modelli della loro formazione

Per lo sviluppo di un modello realistico di formazione ed evoluzione delle galassie è necessario un confronto sistematico con le osservazioni in modo da verificare che i dati vengano ben riprodotti. Lo scopo che si prefigge questo lavoro di Tesi è un confronto tra le caratteristiche delle galassie presenti nei cataloghi simulati (mock), costruiti sulla base di alcuni modelli, e quelle evinte dai dati osservativi di campioni di galassie (surveys) con l'obbiettivo di far luce su quali siano le maggiori discrepanze e quindi sulla direzione in cui i modelli andrebbero perfezionati. Per far questo, si è scelto di far uso della funzione di massa stellare delle galassie (MF), in quanto strumento statistico più indicativo di una popolazione di galassie, considerando sia la totalità delle galassie, sia separatamente le star-forming e le quiescenti. Questo lavoro di Tesi attua un confronto tra le MF a 0

Multifrequency VLBA observations of two compact symmetric objects

In this thesis the results of the multifrequency VLBA observations of the GPS 1944+5448 and the HFP J0111+3906 are presented. They are compact objects smaller than about 100 pc, completely embedded in the host galaxy. The availability of multi-epoch VLBI observations spanning more than 10 years, allowed us to compute the hot spot advance speed in order to obtain the kinematic age of both sources. Both radio sources are young, in agreement with the idea that they are in an early evolutionary stage. The spectral analysis of each source component, such as the lobes, the hot spots, the core and the jets, making a comparison with the theoretical ones is described. In addition the physical parameters derived from VLBA images as the magnetic field, the luminosity, the energy and the ambient medium density of both sources are discussed.

Radio relics and magnetic fields in galaxy clusters

Radio relics are diffuse synchrotron sources generally located in the peripheries of galaxy clusters in merging state. According to the current leading scenario, relics trace gigantic cosmological shock waves that cross the intra-cluster medium where particle acceleration occurs. The relic/shock connection is supported by several observational facts, including the spatial coincidence between relics and shocks found in the X-rays. Under the assumptions that particles are accelerated at the shock front and are subsequently deposited and then age downstream of the shock, Markevitch et al. (2005) proposed a method to constrain the magnetic field strength in radio relics. Measuring the thickness of radio relics at different frequencies allows to derive combined constraints on the velocity of the downstream flow and on the magnetic field, which in turns determines particle aging. We elaborate this idea to infer first constraints on magnetic fields in cluster outskirts. We consider three models of particle aging and develop a geometric model to take into account the contribution to the relic transverse size due to the projection of the shock-surface on the plane of the sky. We selected three well studied radio relics in the clusters A 521, CIZA J2242.8+5301 and 1RXS J0603.3+4214. These relics have been chosen primarily because they are almost seen edge-on and because the Mach number of the shock that is associated with these relics is measured by X-ray observations, thus allowing to break the degeneracy between magnetic field and downstream velocity in the method. For the first two clusters, our method is consistent with a pure radiative aging model allowing us to derive constraints on the relics magnetic field strength. In the case of 1RXS J0603.3+4214 we find that particle life-times are consistent with a pure radiative aging model under some conditions, however we also collect evidences for downstream particle re-acceleration in the relic W-region and for a magnetic field decaying downstream in its E-region. Our estimates of the magnetic field strength in the relics in A 521 and CIZA J2242.8+5301 provide unique information on the field properties in cluster outskirts. The constraints derived for these relics, together with the lower limits to the magnetic field that we derived from the lack of inverse Compton X-ray emission from the sources, have been combined with the constraints from Faraday rotation studies of the Coma cluster. Overall results suggest that the spatial profile of the magnetic field energy density is broader than that of the thermal gas, implying that the ε_th /ε_B ratio decreases with cluster radius. Alternatively, radio relics could trace dynamically active regions where the magnetic field strength is biased high with respect to the average value in the cluster volume.

Non-Gaussianities from a sudden change in the inflaton speed of sound

Il concetto di inflazione e' stato introdotto nei primi anni ’80 per risolvere alcuni problemi del modello cosmologico standard, quali quello dell’orizzonte e quello della piattezza. Le predizioni dei piu' semplici modelli inflazionari sono in buon accordo con le osservazioni cosmologiche piu'recenti, che confermano sezioni spaziali piatte e uno spettro di fluttuazioni primordiali con statistica vicina a quella gaussiana. I piu' recenti dati di Planck, pur in ottimo accordo con una semplice legge di potenza per lo spettro a scale k > 0.08 Mpc−1 , sembrano indicare possibili devi- azioni a scale maggiori, seppur non a un livello statisticamente significativo a causa della varianza cosmica. Queste deviazioni nello spettro possono essere spiegate da modelli inflazionari che includono una violazione della condizione di lento rotolamento (slow-roll ) e che hanno precise predizioni per lo spettro. Per uno dei primi modelli, caratterizzato da una discontinuita' nella derivata prima del potenziale proposto da Starobinsky, lo spettro ed il bispettro delle fluttuazioni primordiali sono noti analiticamente. In questa tesi estenderemo tale modello a termini cinetici non standard, calcolandone analiticamente il bispettro e confrontando i risultati ottenuti con quanto presente in letteratura. In particolare, l’introduzione di un termine cinetico non standard permettera' di ottenere una velocita' del suono per l’inflatone non banale, che consentira' di estendere i risultati noti, riguardanti il bispettro, per questo modello. Innanzitutto studieremo le correzioni al bispettro noto in letteratura dovute al fatto che in questo caso la velocita' del suono e' una funzione dipendente dal tempo; successivamente, cercheremo di calcolare analiticamente un ulteriore contributo al bispettro proporzionale alla derivata prima della velocita' del suono (che per il modello originale e' nullo).

Vincoli cosmologici da supernovae ad alto redshift

Le SNe Ia vengono utilizzate in cosmologia come indicatori di distanza. Nel 1998 due team di ricerca, il Supernova Cosmology Project e l'High-z Supernova Search Team compirono degli studi su un campione di SNe in galassie lontane a z=0.2-0.9. Da questi lavori emerse che le luminosità apparenti erano tipicamente inferiori del 25% rispetto ai valori attesi. Questo indica che tali oggetti si trovano ad una distanza di luminosità superiore a quella prevista da modelli d'Universo dominati da materia. Venne quindi determinata per la prima volta l'evidenza di un Universo in condizione di espansione accelerata. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di analizzare i vincoli cosmologici imposti da SNe Ia ad alto redshift. È stato compiuto uno studio sui moduli di distanza osservativi di un campione di 580 SNe Ia al fine di trovare i parametri cosmologici che meglio descrivono il loro andamento in funzione del redshift nell'ambito dei modelli cosmologici standard con costante cosmologica positiva. Nella prima parte si illustreranno i modelli d’Universo di Friedmann, introducendo i concetti di redshift, di fattore di scala e i vari tipi di distanza. Nella seconda parte si descriverà cosa sono le Supernovae, e in particolare, le SNe di tipo Ia, le proprietà che le rendono candele standard e l'importanza che hanno assunto in cosmologia. Nella terza parte verranno presentanti i risultati prodotti per i due modelli studiati, verrà inoltre discussa la compatibilità con i parametri prodotti nei lavori compiuti dai due team di ricerca.