Effetto doppler e applicazioni astrofisiche

Descrizione dal punto di vista fisico e astronomico dell'effetto Doppler con particolare attenzione all'utilizzo astrofisico

Emissione di corpo nero e applicazioni astrofisiche

“Per me la Fisica costituisce un sistema perfettamente armonioso ed essenzialmente completo. All’orizzonte scorgo solamente due piccole nubi oscure: il risultato negativo dell’esperienza di Michelson e Morley e l’insufficienza della legge di Rayleigh e Jeans se applicata alle frequenze dell’ultravioletto” Con questa frase William Thomson Kelvin delineava, sul finire dell’800, i tratti di una Fisica fondata su solide basi che consentisse di spiegare i fenomeni di natura meccanica per mezzo delle Leggi della Dinamica di Newton e descrivesse le proprietà del campo elettromagnetico grazie alle Equazioni di Maxwell. Tuttavia, come riferisce lo stesso Lord Kelvin, rimaneva qualcosa di inspiegato: i due risultati mancanti sino ad allora diedero origine ad una vera e propria rivoluzione nel campo della Fisica. Grazie all’esperienza di Michelson e Morley, in disaccordo con quanto previsto dalla Meccanica Classica, Albert Einstein nel 1905 fu in grado di estendere i risultati della Relatività Galileiana ad eventi che coinvolgono velocità prossime a quella della luce; dall’altro lato, Max Planck nel 1900 pose le basi della Meccanica Quantistica, ipotizzando la quantizzazione dell’Energia, studiando la radiazione di Corpo Nero. Definendo il Corpo Nero come un oggetto ideale la cui superficie è in grado di assorbire qualsiasi radiazione elettromagnetica incidente su di esso, in questo compendio saranno esposti il processo che ha indotto lo scienziato tedesco Gustav Robert Kirchhoff all’idealizzazione di tale concetto, la soluzione della quantizzazione di Planck per ovviare al fenomeno della Catastrofe Ultravioletta derivante dall’approccio di Rayleigh e Jeans e la determinazione dello Spettro di Corpo Nero con le relative proprietà, Leggi empiriche che ne regolano l’andamento. Verranno inoltre presentati alcuni esempi astrofisici reali le cui emissioni rispecchiano l’andamento del Corpo Nero e se ne discuteranno le relative caratteristiche che li discostano dall’oggetto teorico.

Emissione di bremsstrahlung e applicazioni astrofisiche

La radiazione elettromagnetica è una singola entità, come si deduce dall’universalità delle leggi di Maxwell, nonostante lo spettro elettromagnetico sia caratterizzato da regioni a cui si associano nomi differenti. Questo implica l’esistenza di un meccanismo fondamentale comune alla base di tutti i processi di radiazione, che si identifica in una carica in moto non uniforme. Infatti una carica stazionaria ha un campo elettrico costante e un campo magnetico nullo, quindi non irradia; lo stesso vale per una carica in moto uniforme. La radiazione di Bremsstrahlung, che avviene nel continuo, spaziando dal radio ai raggi gamma, fu scoperta negli anni ’30 del secolo scorso, in seguito all’osservazione che la perdita di energia che subisce un elettrone attraversando la materia non è data unicamente dalla ionizzazione: l’elettrone, accelerato dal nucleo ionizzato, irradia e, di conseguenza, viene frenato. Letteralmente “Bremsstrahlung“ significa “radiazione di frenamento” e in astrofisica rappresenta il principale meccanismo di raffreddamento di un plasma a temperature molto elevate; nel seguente elaborato tale plasma sarà considerato monoatomico e completamente ionizzato. Dall’analisi dello spettro di Bremsstrahlung si possono rilevare la temperatura e la misura di emissione della nube di gas osservato, che consentono di ricavare la densità, la massa e la luminosità della nube stessa. Nel capitolo 1 vengono riportate la descrizione di questo processo di radiazione e le principali formule che lo caratterizzano, illustrate in ambiente semiclassico (Bremsstrahlung termica) e in ambiente relativistico (Bremsstrahlung relativistica). Nel capitolo 2 segue la trattazione di alcuni esempi astrofisici: le regioni HII; il gas intergalattico degli ammassi di galassie ed emettono principalmente nella banda X; le galassie Starburst; le binarie X; la componente elettronica dei raggi cosmici e i brillamenti solari; infine un accenno agli oggetti di Herbig-Haro.

Materia degenere: Fisica e applicazioni astrofisiche

Con la presente Tesi si vuole trattare lo Stato Degenere della materia. Nella prima parte si presenteranno le caratteristiche fisiche principali: limite di non degenerazione, differenze tra bosoni e fermioni, equazioni di stato e distribuzioni di velocità. Nella seconda parte si introdurranno i risvolti astrofisici più interessanti: pressione negli interni stellari, nane bianche, stelle di neutroni e Supernovae di tipo Ia.

Emissione di compton inverso e applicazioni astrofisiche

Nella tesi vengono trattati i fenomeni di urto tra fotoni e elettroni, nella fattispecie si riconoscono tre urti differenti: lo scattering Thomson, Compton e Compton Inverso (IC). L'attenzione viene focalizzata sull'effetto IC. Una volta riportati i risultati sui tre processi sopracitati, il testo prosegue con la trattazione del problema di interesse astrofisico, ovvero la Comptonizzazione. La Comptonizzazione è il caso più generale in cui IC e effetto Compton competono, e stabilisce come lo spettro fotonico viene modificato a causa delle interazioni col plasma. Vengono in seguito trattati due interessanti applicazioni astrofisiche della Comptonizzazione: l' effetto Sunyaev-Zel'Dovich e il Synchrotron-self-Compton.

Sviluppo di un algoritmo di calibrazione per analisi quantitative di immagini in microscopia a fluorescenza

Questo progetto di tesi ha come obiettivo lo sviluppo di un algoritmo per la correzione e la calibrazione delle immagini in microscopia a fluorescenza e della sua implementazione come programma. Infatti, senza tale calibrazione le immagini di microscopia a fluorescenza sarebbero intrinsecamente affette da molteplici tipi di distorsioni ottiche. Questo limita fortemente la possibilità di effettuare analisi quantitative del livello di fluorescenza osservato. Il difetto sul quale ci siamo soffermati è la disomogeneità di campo, ossia una non uniforme fluorescenza causata dalla forma irregolare del fascio di eccitazione. Per conseguire l'obiettivo da noi proposto è necessaria l'acquisizione, in parallelo al campione in esame, di immagini di calibrazione contenenti sfere nanometriche a fluorescenza nota. A partire da queste, tramite procedure di image processing da noi implementate, abbiamo stimato la funzione di correzione della fluorescenza, localmente per ogni punto dell'immagine. Per la creazione di tale algoritmo abbiamo ipotizzato una possibile distribuzione dell'intensità dovuta alla non omogeneità del fascio ed abbiamo quindi stimato i parametri tramite un'apposita procedura di maximum likelihood. Tale stima è stata eseguita tenendo conto di possibili effetti dovuti alla luminosità di background, alla sovrapposizione di più nanosfere e ad effetti di bordo nel corso dell'elaborazione. Questa procedura è stata ripetuta su quattro diverse immagini di calibrazione, per valutarne la consistenza e la validità. Inoltre, per poter verificare che il software di elaborazione abbia le desiderate proprietà di linearità tra segnale misurato ed intensità nota, ci siamo serviti di un'ulteriore immagine di calibrazione contenente una mistura di sfere nanometriche con intensità variabili su due ordini di grandezza. Il risultato di questo lavoro di tesi verrà incluso in un programma per la calibrazione delle immagini in fluorescenza acquisite al laboratorio di biofisica del Dipartimento di Fisica ed Astronomia di Bologna.

Integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari

La tesi si occupa dell’integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari. Una maggiore comprensione dei dati ricavati tramite NMR potrebbe consentire di interpretare la vitalità e funzionalità cellulare attraverso la localizzazione spaziale degli idrogeni. L'ipotesi di partenza è che la compartimentazione degli idrogeni (associati a molecole di acqua) nel citoplasma possa fornire una stima del numero di cellule vitali (e quindi in grado di mantenere l'acqua al proprio interno mediante processi attivi). I risultati NMR, prodotti dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna della Prof.ssa Fantazzini, sono stati comparati con le informazioni acquisite dal candidato tramite metodologie di conteggio cellulare (sia vive che morte) presenti in un campione sottoposto a forte e prolungato stress (assenza di terreno di coltura e di bilanciamento del sistema tampone tramite CO2 per 400 ore). Cellule da una linea di glioblastoma multiforme (T98G) mantenute in condizioni di coltura standard sono state preparate secondo lo stesso protocollo per entrambe le tecniche di indagine, e monitorate per intervalli di tempo paragonabili. Le immagini delle cellule ottenute al microscopio ottico in modalità “contrasto di fase” sono state acquisite e utilizzate per l’analisi. Una volta definito un metodo di conteggio sperimentale, è stato possibile dedurre il comportamento delle concentrazioni di cellule sopravvissute in funzione del tempo di campionamento. Da una serie ripetuta di esperimenti è stato caratterizzato un andamento nel tempo di tipo esponenziale decrescente per il numero di cellule vive, permettendo la stima della costante di decadimento in buon accordo tra i vari esperimenti. Un analogo modello esponenziale è stato utilizzato per la descrizione dell'aumento del numero di cellule morte. In questo caso, la difficoltà nell'individuare cellule morte integre (per la frammentazione delle membrane cellulari dopo la morte) ha contribuito a determinare una sistematica sottostima nei conteggi. Il confronto dei risultati NMR e microscopici indica che la diminuzione del numero di cellule vive corrisponde ad una analoga diminuzione degli H1 compartimentalizzati fino ad un tempo specifico di circa 50-60 ore in tutti gli esperimenti. Oltre questo tempo, i dati di NMR mostrano invece un incremento di H1 compartimentalizzati, quando invece il numero di cellule vive continua a diminuire in modo monotono. Per interpretare i risultati ottenuti, è stato quindi ipotizzato che, a partire da cellule morte frammentate, strutture micellari e liposomiali formate dai lipidi di membrana in soluzione possano intrappolare gli H1 liberi, aumentando il segnale di risposta della componente compartimentalizzata come evidenziato in NMR.

Magnesium based nanoparticles for hydrogen storage

Questo lavoro riguarda la sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle basate sul magnesio per l'immagazzinamento di idrogeno. Le nanoparticelle sono state cresciute mediante Inert Gas Condensation, una tecnica aerosol in cui il materiale viene sublimato e diretto verso i substrati tramite un flusso di gas inerte, e caratterizzate attraverso microscopia elettronica e diffrazione di raggi X. Queste operazioni sono state eseguite presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna. Sono stati sintetizzati due tipi di particelle: nel primo il magnesio viene deposto direttamente sul substrato, nel secondo esso incontra un flusso di ossigeno prima di depositarsi sulla superficie. In questo modo si formano delle particelle con struttura core-shell in cui la parte interna è formata da magnesio e quella esterna dal suo ossido. La presenza di una shell consistente dovrebbe permettere, secondo il modello di deformazioni elastiche, di diminuire il valore assoluto dell'entropia di formazione dell'idruro di magnesio, condizione necessaria affinché il desorbimento di idrogeno possa avvenire in maniera più agevole rispetto a quanto non accada col materiale bulk. Tutti i campioni sono stati ricoperti di palladio, il quale favorisce la dissociazione della molecola di idrogeno. La capacità di assorbimento dell'idrogeno da parte dei campioni è stata studiata mediante idrogenografia, una tecnica ottica recentemente sviluppata in cui la quantità di gas assorbita dal materiale è legata alla variazione di trasmittanza ottica dello stesso. Le misure sono state eseguite presso l'Università Tecnica di Delft. I risultati ottenuti evidenziano che le nanoparticelle di solo magnesio mostrano dei chiari plateau di pressione corrispondenti all'assorbimento di idrogeno, tramite cui sono stati stimati i valori di entalpia di formazione. Al contrario, i campioni con struttura core-shell, la cui crescita rappresenta di per sé un risultato interessante, non presentano tale comportamento.

Non-thermal emission in High Frequency Peaked blazars towards the Square Kilometer Array era

In this thesis work we will explore and discuss the properties of the gamma-ray sources included in the first Fermi-LAT catalog of sources above 10 GeV (1FHL), by considering both blazars and the non negligible fraction of still unassociated gamma-ray sources (UGS, 13%). We perform a statistical analysis of a complete sample of hard gamma-ray sources, included in the 1FHL catalog, mostly composed of HSP blazars, and we present new VLBI observations of the faintest members of the sample. The new VLBI data, complemented by an extensive search of the archives for brighter sources, are essential to gather a sample as large as possible for the assessment of the significance of the correlation between radio and very high energy (E>100 GeV) emission bands. After the characterization of the statistical properties of HSP blazars and UGS, we use a complementary approach, by focusing on an intensive multi-frequency observing VLBI and gamma-ray campaign carried out for one of the most remarkable and closest HSP blazar Markarian 421.

COSMIC-LAB: Unexpected Results from High-resolution Spectra of AGB Stars in Globular Clusters

We have used high-resolution spectra, acquired with UVES@ESO-VLT, to determine the chemical abundances of different samples of AGB and RGB stars in 4 Galactic globular clusters, namely 47Tuc, NGC3201, M22 and M62. For almost all the analyzed AGB stars we found a clear discrepancy between the iron abundance measured from neutral lines and that obtained from single ionized lines, while this discrepancy is not obtained for the RGB samples observed in the same clusters and analyzed with the same procedure. Such a behavior exactly corresponds to what expected in the case of Non-Local Thermodynamical Equilibrium (NLTE) in the star atmosphere. These results have a huge impact on the proper determination of GC chemistry. In fact, one of the most intriguing consequences is that, at odds with previous claims, no iron spread is found in NGC3201 and M22 if the iron abundance is obtained from ionized lines only.

On the Luminous and Dark Matter Distribution in Early-Type Galaxies

The way mass is distributed in galaxies plays a major role in shaping their evolution across cosmic time. The galaxy's total mass is usually determined by tracing the motion of stars in its potential, which can be probed observationally by measuring stellar spectra at different distances from the galactic centre, whose kinematics is used to constrain dynamical models. A class of such models, commonly used to accurately determine the distribution of luminous and dark matter in galaxies, is that of equilibrium models. In this Thesis, a novel approach to the design of equilibrium dynamical models, in which the distribution function is an analytic function of the action integrals, is presented. Axisymmetric and rotating models are used to explain observations of a sample of nearby early-type galaxies in the Calar Alto Legacy Integral Field Area survey. Photometric and spectroscopic data for round and flattened galaxies are well fitted by the models, which are then used to get the galaxies' total mass distribution and orbital anisotropy. The time evolution of massive early-type galaxies is also investigated with numerical models. Their structural properties (mass, size, velocity dispersion) are observed to evolve, on average, with redshift. In particular, they appear to be significantly more compact at higher redshift, at fixed stellar mass, so it is interesting to investigate what drives such evolution. This Thesis focuses on the role played by dark-matter haloes: their mass-size and mass-velocity dispersion correlations evolve similarly to the analogous correlations of ellipticals; at fixed halo mass, the haloes are more compact at higher redshift, similarly to massive galaxies; a simple model, in which all the galaxy's size and velocity-dispersion evolution is due to the cosmological evolution of the underlying halo population, reproduces the observed size and velocity-dispersion of massive compact early-type galaxies up to redshift of about 2.

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.