Kinematics of local and high-z galaxies through 3D modeling of emission-line datacubes

The kinematics is a fundamental tool to infer the dynamical structure of galaxies and to understand their formation and evolution. Spectroscopic observations of gas emission lines are often used to derive rotation curves and velocity dispersions. It is however difficult to disentangle these two quantities in low spatial-resolution data because of beam smearing. In this thesis, we present 3D-Barolo, a new software to derive the gas kinematics of disk galaxies from emission-line data-cubes. The code builds tilted-ring models in the 3D observational space and compares them with the actual data-cubes. 3D-Barolo works with data at a wide range of spatial resolutions without being affected by instrumental biases. We use 3D-Barolo to derive rotation curves and velocity dispersions of several galaxies in both the local and the high-redshift Universe. We run our code on HI observations of nearby galaxies and we compare our results with 2D traditional approaches. We show that a 3D approach to the derivation of the gas kinematics has to be preferred to a 2D approach whenever a galaxy is resolved with less than about 20 elements across the disk. We moreover analyze a sample of galaxies at z~1, observed in the H-alpha line with the KMOS/VLT spectrograph. Our 3D modeling reveals that the kinematics of these high-z systems is comparable to that of local disk galaxies, with steeply-rising rotation curves followed by a flat part and H-alpha velocity dispersions of 15-40 km/s over the whole disks. This evidence suggests that disk galaxies were already fully settled about 7-8 billion years ago. In summary, 3D-Barolo is a powerful and robust tool to separate physical and instrumental effects and to derive a reliable kinematics. The analysis of large samples of galaxies at different redshifts with 3D-Barolo will provide new insights on how galaxies assemble and evolve throughout cosmic time.

Accretion of Mass and Angular Momentum onto The Discs of Spiral Galaxies

In this Thesis, we study the accretion of mass and angular momentum onto the disc of spiral galaxies from a global and a local perspective and comparing theory predictions with several observational data. First, we propose a method to measure the specific mass and radial growth rates of stellar discs, based on their star formation rate density profiles and we apply it to a sample of nearby spiral galaxies. We find a positive radial growth rate for almost all galaxies in our sample. Our galaxies grow in size, on average, at one third of the rate at which they grow in mass. Our results are in agreement with theoretical expectations if known scaling relations of disc galaxies are not evolving with time. We also propose a novel method to reconstruct accretion profiles and the local angular momentum of the accreting material from the observed structural and chemical properties of spiral galaxies. Applied to the Milky Way and to one external galaxy, our analysis indicates that accretion occurs at relatively large radii and has a local deficit of angular momentum with respect to the disc. Finally, we show how structure and kinematics of hot gaseous coronae, which are believed to be the source of mass and angular momentum of massive spiral galaxies, can be reconstructed from their angular momentum and entropy distributions. We find that isothermal models with cosmologically motivated angular momentum distributions are compatible with several independent observational constraints. We also consider more complex baroclinic equilibria: we describe a new parametrization for these states, a new self-similar family of solution and a method for reconstructing structure and kinematics from the joint angular momentum/entropy distribution.

Gravitational Lensing as a Tool on Galactic and Cosmological Scales

This work considers the reconstruction of strong gravitational lenses from their observed effects on the light distribution of background sources. After reviewing the formalism of gravitational lensing and the most common and relevant lens models, new analytical results on the elliptical power law lens are presented, including new expressions for the deflection, potential, shear and magnification, which naturally lead to a fast numerical scheme for practical calculation. The main part of the thesis investigates lens reconstruction with extended sources by means of the forward reconstruction method, in which the lenses and sources are given by parametric models. The numerical realities of the problem make it necessary to find targeted optimisations for the forward method, in order to make it feasible for general applications to modern, high resolution images. The result of these optimisations is presented in the \textsc{Lensed} algorithm. Subsequently, a number of tests for general forward reconstruction methods are created to decouple the influence of sourced from lens reconstructions, in order to objectively demonstrate the constraining power of the reconstruction. The final chapters on lens reconstruction contain two sample applications of the forward method. One is the analysis of images from a strong lensing survey. Such surveys today contain $\sim 100$ strong lenses, and much larger sample sizes are expected in the future, making it necessary to quickly and reliably analyse catalogues of lenses with a fixed model. The second application deals with the opposite situation of a single observation that is to be confronted with different lens models, where the forward method allows for natural model-building. This is demonstrated using an example reconstruction of the ``Cosmic Horseshoe''. An appendix presents an independent work on the use of weak gravitational lensing to investigate theories of modified gravity which exhibit screening in the non-linear regime of structure formation.

Simulations for Gravitational Lensing of 21 cm Radiation at EoR and Post-EoR Redshifts

21 cm cosmology opens an observational window to previously unexplored cosmological epochs such as the Epoch of Reionization (EoR), the Cosmic Dawn and the Dark Ages using powerful radio interferometers such as the planned Square Kilometer Array (SKA). Among all the other applications which can potentially improve the understanding of standard cosmology, we study the promising opportunity given by measuring the weak gravitational lensing sourced by 21 cm radiation. We performed this study in two different cosmological epochs, at a typical EoR redshift and successively at a post-EoR redshift. We will show how the lensing signal can be reconstructed using a three dimensional optimal quadratic lensing estimator in Fourier space, using single frequency band or combining multiple frequency band measurements. To this purpose, we implemented a simulation pipeline capable of dealing with issues that can not be treated analytically. Considering the current SKA plans, we studied the performance of the quadratic estimator at typical EoR redshifts, for different survey strategies and comparing two thermal noise models for the SKA-Low array. The simulation we performed takes into account the beam of the telescope and the discreteness of visibility measurements. We found that an SKA-Low interferometer should obtain high-fidelity images of the underlying mass distribution in its phase 1 only if several bands are stacked together, covering a redshift range that goes from z=7 to z=11.5. The SKA-Low phase 2, modeled in order to improve the sensitivity of the instrument by almost an order of magnitude, should be capable of providing images with good quality even when the signal is detected within a single frequency band. Considering also the serious effect that foregrounds could have on this detections, we discussed the limits of these results and also the possibility provided by these models of measuring an accurate lensing power spectrum.

Black Hole and Galaxy Growth over Cosmic Time: the Chandra COSMOS Legacy Survey

The study of supermassive black hole (SMBH) accretion during their phase of activity (hence becoming active galactic nuclei, AGN), and its relation to the host-galaxy growth, requires large datasets of AGN, including a significant fraction of obscured sources. X-ray data are strategic in AGN selection, because at X-ray energies the contamination from non-active galaxies is far less significant than in optical/infrared surveys, and the selection of obscured AGN, including also a fraction of heavily obscured AGN, is much more effective. In this thesis, I present the results of the Chandra COSMOS Legacy survey, a 4.6 Ms X-ray survey covering the equatorial COSMOS area. The COSMOS Legacy depth (flux limit f=2x10^(-16) erg/s/cm^(-2) in the 0.5-2 keV band) is significantly better than that of other X-ray surveys on similar area, and represents the path for surveys with future facilities, like Athena and X-ray Surveyor. The final Chandra COSMOS Legacy catalog contains 4016 point-like sources, 97% of which with redshift. 65% of the sources are optically obscured and potentially caught in the phase of main BH growth. We used the sample of 174 Chandra COSMOS Legacy at z>3 to place constraints on the BH formation scenario. We found a significant disagreement between our space density and the predictions of a physical model of AGN activation through major-merger. This suggests that in our luminosity range the BH triggering through secular accretion is likely preferred to a major-merger triggering scenario. Thanks to its large statistics, the Chandra COSMOS Legacy dataset, combined with the other multiwavelength COSMOS catalogs, will be used to answer questions related to a large number of astrophysical topics, with particular focus on the SMBH accretion in different luminosity and redshift regimes.

Proprietà ottiche di film sottili a base di silicio per applicazioni fotovoltaiche

Questa tesi ha come obiettivo quello di misurare la dipendenza spettrale di alcune proprietà ottiche, come trasmittanza e riflettanza, al fine di ricavare l’energy gap di film sottili costituiti da nanocrystalline silicon oxynitride (nc-SiOxNy) per applicazioni in celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer). Questi campioni sono stati depositati presso l’Università di Konstanz (Germania) tramite tecnica PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Questo materiale risulta ancora poco conosciuto per quanto riguarda le proprietà optoelettroniche e potrebbe presentare una valida alternativa a silicio amorfo (a-Si) e ossido di silicio idrogenato amorfo (a-SiOx:H) che sono attualmente utilizzati in questo campo. Le misure sono state effettuate presso i laboratori del Dipartimento di Fisica e Astronomia, settore di Fisica della Materia, dell’Università di Bologna. I risultati ottenuti mostrano che i campioni che non hanno subito alcun trattamento termico (annealing) presentano un energy gap che cresce linearmente rispetto alla diluizione di protossido di azoto in percentuale. Nei campioni analizzati sottoposto ad annealing a 800°C si è osservato un aumento dell’Eg dopo il trattamento. Un risultato ottimale consiste in un gap energetico maggiore di quello del silicio amorfo (a-Si) e del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), attualmente utilizzati in questa tipologia di celle, per evitare che questo layer assorba la luce solare che deve invece essere trasmessa al silicio sottostante. Per questo motivo i valori ottenuti risultano molto promettenti per future applicazioni fotovoltaiche.

Ottica geometrica e ondulatoria, e applicazioni astrofisiche

L’ottica è rivolta allo studio delle proprietà della luce e della sua propagazione attraverso i mezzi materiali. Le applicazioni tradizionali dell’ottica includono le lenti correttive per la vista e la formazione delle immagini nei telescopi e nei microscopi. Le applicazioni moderne comprendono l’immagazzinamento ed il recupero delle informazioni, come nei riproduttori di compact disc, nei lettori di codici a barre in uso nelle casse dei supermercati, o nella trasmissione di segnali attraverso cavi a fibre ottiche, che possono trasportare una maggior quantità di informazioni dei fili in rame. Nel primo capitolo si considereranno casi nei quali la luce viaggia in linea retta e incontra ostacoli la cui dimensione è molto maggiore della lunghezza d’onda della luce. Questo è il dominio dell’ottica geometrica, che include lo studio delle proprietà degli specchi e delle lenti. Il passaggio della luce attraverso fessure molto sottili o attorno a barriere molto strette, le cui dimensioni siano confrontabili con la lunghezza d’onda della luce (a conferma della natura ondulatoria della luce) fa parte dell’ottica fisica o anche detta ottica ondulatoria, di cui si parlerà nel secondo capitolo. Nel terzo capitolo, infine, verranno trattati due metodi che sono stati adoperati nel passato per misurare la maggior peculiarità che possiede la “particella” principe dell’ottica: la velocità della luce.

Emissione di Bremsstrahlung e applicazioni astrofisiche

Nel 1930 Anderson osservò che le perdite di energia degli elettroni nell'attraversamento della materia sono maggiori di quanto previsto per le perdite per ionizzazione e attribuì correttamente questo fatto alla presenza di un'interazione con il campo coulombiano dei nuclei atomici e conseguente irraggiamento elettromagnetico. Al processo venne dato il nome di Bremsstrahlung (dal tedesco radiazione di frenamento). In astrofisica, la radiazione di Bremsstrahlung indica la presenza di un gas ionizzato o plasma. Esempi astrofisici includono i plasmi sottili, come nelle atmosfere stellari e il plasma caldo e denso, come si verifica nelle regioni centrali dei nuclei galattici attivi (AGN) o altri oggetti con accrescimento di materia.

Meccanismi di produzione dell'energia in astrofisica

L’elaborato si propone di trattare i principali meccanismi di produzione dell’energia studiati in ambito astrofisico. L’ambiente di lavoro `e molto vasto e spazia dal “microscopico”, come le reazioni termonucleari, al “macroscopico”, come le contrazioni termodinamiche, le Supernovae, e i dischi di accrescimento. Non essendo possibile trattare tutti i meccanismi esistenti sono stati tralasciati i processi di conversione di energia, come ad esempio l’emissione di Sincrotrone, la Bremsstrahlung e l’effetto Compton Inverso, pur tenendo presente che, visti dall’esterno del sistema dove essi si verificano, tali processi possono essere considerati meccanismi che producono fotoni a spese dell’energia interna del sistema. Data la brevità del testo ci limiteremo ad affrontare solo i meccanismi relativi agli interni stellari, tralasciando per`o lo stadio finale di Supernovae. Una completa impostazione del problema richiederebbe la derivazione formale delle Equazioni fondamentali degli interni stellari che costituiscono l’insieme completo delle equazioni che governano la struttura interna delle stelle, il modo in cui l’energia viene trasportata dal core alla superficie, l’opacità e i tassi di produzione di energia. Si assume tale derivazione come già affrontata, riferendosi alle parti dei testi [5] e [6] in bibliografia che trattano questi argomenti.

Misura di adesione di film polimerici su tappi di sughero

L’industria enologica oggigiorno propone numerosi modi per sigillare le bottiglie in alternativa ai tappi di sughero: tappi sintetici, tappi a vite, tappi a corona. Tuttavia si conosce la preferenza del consumatore medio per il sughero. I motivi sono molteplici: il sughero restituisce un'immagine di qualità del vino, esprime la tradizione ed è un materiale vivo e naturale, così come il vino. La naturalità del sughero però comporta dei rischi. Ad esempio si stima in 10 miliardi di dollari a livello mondiale la perdita economica dovuta al "sentore di tappo" o "cork taint". Recenti ricerche attribuiscono la responsabilità di tale difetto a composti chimici che migrano dal sughero al vino. Innovazione e tradizione si sono incontrate nell'ideazione della "tecnologia a membrana" o "membrane technology". Essa consiste nell'isolare le teste dei tappi con delle pellicole multistrato per non far diffondere nel vino alcun tipo di agente contaminante. In questo studio si espone in dettaglio un metodo per misurare l'adesione di film multistrato polimerici – strato esterno in polietilene – su tappi di sughero monopezzo. I tappi già rivestiti sono stati forniti da un'azienda del settore senza alcuna specifica di fabbricazione. In particolare la fase di trazione è stata ideata in analogia alla prova meccanica nota come pull-off test, usata nell'ambito dell'ingegneria edile. La bontà dell'adesione è indagata dal punto di vista della fisica dei materiali. Per le misurazioni si è utilizzato il Dynamic Mechanical Analyser (DMA), modello Q800, che si trova presso il laboratorio CIRI-MAM ospitato dal Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna.

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).

Emissione di corpo nero e applicazioni astrofisiche

Elaborato scritto per la radiazione di corpo nero. Come applicazione astrofisica è stata analizzata la radiazione cosmica di fondo.

L'evoluzione dei telescopi e principi di funzionamento delle ottiche adattive

Nel documento in questione vi è una breve storia della nascita ed evoluzione dei telescopi, per finire alla descrizione tecnica di base del funzionamento di un sistema ottico adattivo.

Processi di scattering in astrofisica

Lo scattering è un processo fisico che descrive le interazioni tra particelle e radiazione elettromagnetica. Esistono diversi tipi di scattering, dove la natura di questi processi dipende dall'energia della particella e della radiazione. Quando l'elettrone fermo subisce un urto elastico con un fotone di bassa energia si ha lo \emph{scattering Thomson}. In questo processo l'onda elettromagnetica accelera la particella; successivamente dopo l'urto l'onda viene diffusa con la stessa frequenza iniziale. Questo processo accade a basse energie poichè ad energie più alte prevale l'effetto dovuto allo \emph{scattering Compton}. In questo meccanismo un fotone interagisce con un elettrone cedendogli energia e in particolare si ha una variazione di frequenza per il fotone. Quando è l'elettrone a trasferire al fotone parte della sua energia si ha \emph{Inverse Compton}. Gli ultimi due processi in realtà sono situazioni limite di un caso più generale chiamato \emph{Comptonizzazione}. Considerando un plasma rarefatto di fotoni ed elettroni, la Comptonizzazione stabilisce come l'evoluzione dello spettro viene modificato a causa dell'interazione tra fotoni ed elettroni. Nel secondo capitolo di questo elaborato verrà esaminata l'emissione in banda X della radiazione elettromagnetica in seguito a fenomeni di accrescimento intorno a buchi neri; nello specifico si analizzerà l'emissione soft e hard per buchi neri galattici.

Caratteristiche principali dell'emissione di galassie ellittiche

In astronomia, le galassie ellittiche sono oggetti privi in molti casi di momento angolare, non presentano bracci come le galassie a spirali, hanno assenza di stelle giovani, poca presenza di nubi e polveri, quindi si potrebbe pensare che sono oggetti poco interessanti. Invece, no! Risultano essere tra i corpi celesti più affascinanti soprattutto per il loro potere emissivo e quindi per le proprietà morfologiche e spettrali che le caratterizzano. La loro luminosità viene osservata in varie bande, dette appunto bande d'emissione; qui vengono trattate soprattutto tre componenti caratterizzanti le galassie ellittiche: le stelle di popolazione stellare II, osservate in banda ottica; il mezzo interstellare, costituito da gas molto caldo che emette in banda X; ed infine, non meno importante, viene messo in risalto il potere emissivo di ellittiche giganti, dette radiogalassie o blazar, caratterizzate dalla prezenza di nuclei galattici attivi (AGN) e quindi getti che emettono soprattutto in banda radio.