Cross-population radio galaxies as a test of the jet-accretion relationship

Radio galaxies (RGs) are extremely relevant in addressing important unknowns concerning the interaction among black hole accretion, radio jets, and the environment. In the classical scheme, their accretion rate and ejection of relativistic jets are directly linked: efficient accretion (HERG) is associated with powerful edge-brightened jets (FRIIs); inefficient accretion (LERG) is associated with weak edge-darkened jets (FRIs). The observation of RGs with an inefficient engine associated with edge-brightened radio emission (FRII-LERGs) broke this scheme. FRII-LERGs constitute a suitable population to explore how accretion and ejection are linked and evaluate the environment's role in shaping jets. To this aim, we performed a multiwavelength study of different RGs catalogs spanning from Jy to mJy flux densities. At first, we investigated the X-ray properties of a sample of 51 FRIIs belonging to the 3CR catalog at z<0.3. Two hypotheses were invoked to explain FRII-LERGs behavior: evolution from classical FRIIs; the role of the environment. Next, we explored the mJy sky by studying the optical-radio properties of hundreds of RGs at z<0.15 (Best & Heckman 2012 sample). FRII-LERGs appear more similar to the old FRI-LERGs than to the young FRII-HERGs. These results point towards an evolutive scenario, however, nuclear time scale changes, star population aging, and kpc-Mpc radio structure modification do not agree. The role of the Mpc environment was then investigated. The Wen et al. 2015 galaxy clusters sample, built exploiting the SDSS survey, allowed us to explore the habitat of 7219 RGs at z<0.3. Most RGs are found to live in outside clusters. For these sources, differences among RG classes are still present. Thus, the environment is not the key parameter, and the possibility of intrinsic differences was reconsidered: we speculated that different black hole properties (spin and magnetic field at its horizon) could determine the observed spread in jet luminosity.

Exploring the white dwarf cooling sequence in Globular Clusters

White dwarfs (WDs) are electron-degenerate structures that are commonly assumed to evolve via a pure cooling process, with no stable thermonuclear activity at work. Their cooling rate is adopted as a cosmic chronometer to constrain the age of several Galactic populations, including the disk, Globular Clusters (GCs) and open clusters. This thesis work is aimed at the study of the WD populations in globular clusters and is articulated in two branches. The first was focused on the study of the bright portion of the WD cooling sequence. By analyzing high resolution UV data acquired with the Hubble Space Telescope (HST), we compared the WD luminosity functions (LFs) in four Galactic GCs (namely M13, M3, NGC6752, and M5) finding an unexpected over-abundance of WDs in M13 and NGC6752 with respect to M3 and M5. Theoretical models suggest that, consistently with the blue-tail horizontal branch (HB) morphology of M13 and NGC6752, this overabundance is due to a population of slowly cooling WDs, i.e., WDs fading more slowly than in a pure cooling process thanks to an extra-energy source provided by stable thermonuclear burning in their residual hydrogen-rich envelope. This is the first empirical evidence of WDs fading at a slower rate than usually assumed, and has a crucial impact on the use of the cooling sequence as a cosmic chronometer. The second branch was focused on the search for the companion star to binary millisecond Pulsars (MSP) in the globular clusters M13 and NGC 6652: the identified companions turned out to be helium-core WDs, and provided a invaluable constraints on the mass of the neutron star and the epoch of the MSP formation.

New indicators of star cluster dynamical evolution

This thesis presents a study of globular clusters (GCs), based on analysis of Monte Carlo simulations of globular clusters (GCs) with the aim to define new empirical parameters measurable from observations and able to trace the different phases of their dynamical evolution history. During their long term dynamical evolution, due to mass segregation and and dynamical friction, massive stars transfer kinetic energy to lower-mass objects, causing them to sink toward the cluster center. This continuous transfer of kinetic energy from the core to the outskirts triggers the runaway contraction of the core, known as "core collapse" (CC), followed by episodes of expansion and contraction called gravothermal oscillations. Clearly, such an internal dynamical evolution corresponds to significant variations also of the structure of the system. Determining the dynamical age of a cluster can be challenging as it depends on various internal and external properties. The traditional classification of GCs as CC or post-CC systems relies on detecting a steep power-law cusp in the central density profile, which may not always be reliable due to post-CC oscillations or other processes. In this thesis, based on the normalized cumulative radial distribution (nCRD) within a fraction of the half-mass radius is analyzed, and three diagnostics (A5, P5, and S2.5) are defined. These diagnostics show sensitivity to dynamical evolution and can distinguish pre-CC clusters from post-CC clusters.The analysis performed using multiple simulations with different initial conditions, including varying binary fractions and the presence of dark remnants showed the time variations of the diagnostics follow distinct patterns depending on the binary fraction and the retention or ejection of black holes. This analysis is extended to a larger set of simulations matching the observed properties of Galactic GCs, and the parameters show a potential to distinguish the dynamical stages of the observed clusters as well.

Obscured AGN in deep fields: tracing accretion and star-formation up to z ∼ 5

The discovery of scaling relations between the mass of the SMBH and some key physical properties of the host galaxy suggests that the growth of the SMBH and that of the galaxy are coupled, with the AGN activity and the star-formation (SF) processes influencing each other. Although the mechanism of this co-evolution are still a matter of debate, all scenarios agree that a key phase of the co-evolution is represented by the obscured accretion phase. This phase is of the co-evolution is the least studied, mostly due to the challenge in detecting and recognizing such obscured AGN. My thesis aims at investigating the AGN-galaxy co-evolution paradigm by identifying and studying AGN in the obscured accretion phase. The study of obscured AGN is key for our understanding of the feedback processes and of the mutual influence of the SF and the AGN activity. Moreover, these obscured and elusive AGN are needed to explain the X-ray background spectrum and to reconcile the measurements and the theoretical prediction of the BH accretion rate density. In this thesis, we firstly investigate the synergies between IR and X-ray missions in detecting and characterizing AGN, with a particular focus on the most obscured ones. We exploited UV/optical emission lines to select high-redshift obscured AGN at the cosmic noon, where the highest SFR density and BH accretion rate density are expected. We provide X-ray spectral analysis and UV-to-far-IR SED-fitting. We show that our samples host a significant fraction of very obscured sources; many of these are highly accreting. Finally, we performe a thoughtful investigation of a galaxy at z~5 with unusual and peculiar features, that lead us to identify a second extremely young population of stars and hidden AGN activity.

Unveiling the expansion history of the universe with cosmic chronometers and gravitational waves

This Thesis explores two novel and independent cosmological probes, Cosmic Chronometers (CCs) and Gravitational Waves (GWs), to measure the expansion history of the Universe. CCs provide direct and cosmology-independent measurements of the Hubble parameter H(z) up to z∼2. In parallel, GWs provide a direct measurement of the luminosity distance without requiring additional calibration, thus yielding a direct measurement of the Hubble constant H0=H(z=0). This Thesis extends the methodologies of both of these probes to maximize their scientific yield. This is achieved by accounting for the interplay of cosmological and astrophysical parameters to derive them jointly, study possible degeneracies, and eventually minimize potential systematic effects. As a legacy value, this work also provides interesting insights into galaxy evolution and compact binary population properties. The first part presents a detailed study of intermediate-redshift passive galaxies as CCs, with a focus on the selection process and the study of their stellar population properties using specific spectral features. From their differential aging, we derive a new measurement of the Hubble parameter H(z) and thoroughly assess potential systematics. In the second part, we develop a novel methodology and pipeline to obtain joint cosmological and astrophysical population constraints using GWs in combination with galaxy catalogs. This is applied to GW170817 to obtain a measurement of H0. We then perform realistic forecasts to predict joint cosmological and astrophysical constraints from black hole binary mergers for upcoming gravitational wave observatories and galaxy surveys. Using these two probes we provide an independent reconstruction of H(z) with direct measurements of H0 from GWs and H(z) up to z∼2 from CCs and demonstrate that they can be powerful independent probes to unveil the expansion history of the Universe.

Galaxy cluster cosmology in KiDS, Planck, and Euclid surveys

In this Thesis, we present a series of works that encompass the fundamental steps of cosmological analyses based on galaxy clusters, spanning from mass calibration to deriving cosmological constraints through counts and clustering. Firstly, we focus on the 3D two-point correlation function (2PCF) of the galaxy cluster sample by Planck Collaboration XXVII (2016). The masses of these clusters are expected to be underestimated, as they are derived from a scaling relation calibrated through X-ray observations. We derived a mass bias which disagrees with simulation predictions, consistent with what derived by Planck Collaboration VI (2020). Furthermore, in this Thesis we analyse the cluster counts and 2PCF, respectively, of the photometric galaxy cluster sample developed by Maturi et al. (2019), based on the third data release of KiDS (KiDS-DR3, de Jong et al. 2017). We derived constraints on fundamental cosmological parameters which are consistent and competitive, in terms of uncertainties, with other state-of-the-art cosmological analyses. Then, we introduce a novel approach to establish galaxy colour-redshift relations for cluster weak-lensing analyses, regardless of the specific photometric bands in use. This method optimises the selection completeness of cluster background galaxies while maintaining a defined purity threshold. Based on the galaxy sample by Bisigello et al. (2020), we calibrated two colour selections, one relying on the ground-based griz bands, and the other including the griz and Euclid YJH bands. In addition, we present the preliminary work on the weak-lensing mass calibration of the clusters detected by Maturi et al. (in prep.) in the fourth data release of KiDS (KiDS-1000, Kuijken et al. 2019). This mass calibration will enable the cosmological analyses based on cluster counts and clustering, from which we expect remarkable improvements in the results compared to those derived in KiDS-DR3.

A comprehensive study of the AGN feedback cycle in galaxy clusters from high resolution X-ray and radio observations

At the center of galaxy clusters, a dramatic interplay known as feedback cycle occurs between the hot intracluster medium (ICM) and the active galactic nucleus (AGN) of the central galaxy. The footprints of this interplay are evident from X-ray observations of the ICM, where X-ray cavities and shock fronts are associated with radio lobe emission tracing energetic AGN outbursts. While such jet activity reduces the efficiency of the hot gas to cool to lower temperatures, residual cooling can generate warm and cold gas clouds around the central galaxy. The condensed gas parcels can ultimately reach the core of the galaxy and be accreted by the AGN. This picture is the result of tremendous advances over the last three decades. Yet, a deeper understanding of the details of how the heating–cooling regulation is achieved and maintained is still missing. In this Thesis, we delve into key aspects of the feedback cycle. To this end, we leverage high-resolution (sub-arcsecond), multifrequency observations (mainly X-ray and radio) of several top-level facilities (e.g., Chandra, JVLA, VLBA, LOFAR). First, we investigate which conditions trigger a feedback response to gas cooling, by studying the properties of clusters where feedback is just about to start. Then, we focus on the details of how the AGN–ICM interaction progresses by examining cavity and shock heating in the cluster RBS797, an exemplary case of the jet feedback paradigm. Furthermore, we explore the importance of shock heating and the coupling of distinct jet power regimes (i.e., FRII, FRI and FR0 radio galaxies) to the environment. Ultimately, as heating models rely on the connection between the direct evidence (the jets) and the smoking gun (the X-ray cavities) of feedback, we examine the cases in which these two are dramatically misaligned.

Caratteristiche principali dell'emissione di galassie a spirale

L’universo è il luogo che permette agli esseri umani di osservare i fenomeni fondamentali che regolano le leggi della fisica e della natura. La luce e quindi la radiazione elettromagnetica è ciò che gli astronomi utilizzano e studiano, per conoscere i meccanismi principali che governano la moltitudine di corpi celesti presenti nel cosmo. Tra questi le galassie a spirale, crogiolo di oggetti e fenomeni che permettono lo studio dell’evoluzione e dell’avanzamento dell’universo. In questo elaborato verranno presentate le loro peculiarità prestando attenzione alla loro morfologia, composizione e ai principali processi di emissione di radiazione andandone ad analizzare le diverse bande dello spettro elettromagnetico

Emissione di Bremsstrahlung e applicazioni astrofisiche

Scopo di questo elaborato è studiare il processo di emissione di radiazione chiamato Bremsstrahlung, parola tedesca che letteralmente vuol dire radiazione di frenamento e che indica la radiazione emessa da una carica elettrica accelerata dal campo coulombiano di un’altra carica. L’emissione di Bremsstrahlung avviene nel continuo e interessa un ampio intervallo di lunghezze d’onda, che va dalle onde radio fino ai raggi γ. Nel capitolo 1 tratteremo sia la radiazione prodotta da un singolo evento, sia quella prodotta da un plasma reale. Successivamente, ci concentreremo sulla Bremsstrahlung termica, approfondendo anche la questione dell’autoassorbimento e della brillanza di Bremsstrahlung. Il capitolo si chiude con la descrizione della Bremsstrahlung relativistica. Nel capitolo 2 descriveremo invece alcuni oggetti astrofisici in cui la Bremsstrahlung gioca un ruolo importante (il mezzo interstellare e le regioni HII, il mezzo intracluster) e concluderemo accennando al ruolo che questo processo radiativo ha nelle cascate elettromagnetiche nell’atmosfera terrestre che consentono lo studio dei raggi γ.

LoRa Mesh: un caso di studio per la comunicazione tra imbarcazioni da diporto

Il progetto è stato sviluppato con l’idea di creare una rete attraverso la quale imbarcazioni da diporto relativamente vicine (10km), si possano scambiare informazioni sullo stato del mare e della navigazione, anche in assenza di una connessione a internet. In tal modo i dati dell’imbarcazione, come temperatura esterna, temperatura dell’acqua, vento, coordinate gps, AIS ecc... verrebbero condivisi attraverso la rete. In questo progetto è stata sviluppata un'infrastruttura in grado di far comunicare imbarcazioni da diporto su bande non licenziate, utilizzando solo materiale OpenSource, in particolare un protocollo chiamato LoRaMesh. Tale infrastruttura, non basandosi su uno standard definito, ha la possibilità di adattarsi a qualsiasi tipo di dato. Tutto il progetto si basa su schede PyCom, ed è stato sviluppato del codice in grado di fornire uno scambio di dati costante e un’interfacci BLE per comunicare con più dispositivi possibili. Per fornire un’esempio di come ci si può connettere con il BLE è stata scritta un’app per IOS che fornisce varie funzionalità, tra cui la possibilità di inviare dati GPS, molto utile per l’esecuzione dei vari test. Sono state svolte varie prove, in diversi luoghi e condizioni, utili a capire la portata massima dei dispositivi, e come la rete mesh si adatta e ripara.

Mock HI observations of Milky Way-like simulated galaxies

L'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nel descrivere sia il processo necessario per la creazione di osservazioni sintetiche di galassie simulate simili alla Via Lattea nella riga di emissione a 21 cm dell'idrogeno neutro (HI), sia il lavoro di analisi fondamentale che serve a confrontare in modo efficace l'output generato con delle osservazioni di galassie reali. Come prima cosa è descritta la teoria quantistica che sta alla base dell'emissione a 21 cm di HI, illustrando l'importanza di tale riga di emissione nell'ambito dell'astronomia e come si possano ottenere informazioni fondamentali sulle sorgenti di questa radiazione a partire dai dati osservativi. Il lavoro poi si focalizza sull'utilizzo del software MARTINI per la creazione di osservazioni sintetiche della linea a 21 cm per una galassia simulata con proprietà simili alla Via Lattea generata utilizzando il modello numerico SMUGGLE. Infine, si passa ad una breve descrizione dell'analisi dei dati sintetici creati, e al loro confronto con dei dati provenienti da osservazioni reali di galassie con proprietà simili, per ottenere una valutazione qualitativa della bontà del modello SMUGGLE impiegato nella simulazione numerica.

Proprietà degli ammassi di galassie

Nello studio dell’universo su larga scala, piu` precisamente osservando come le galassie sono distribuite in esso, gli astronomi hanno potuto riscontrare che queste raramente si trovano isolate nello spazio. Sono infatti piu` frequentemente legate tra loro gravitazionalmente in gruppi o in ammassi di galassie. Il presente elaborato approfondisce le componenti, i criteri di classificazione e nello specifico le proprieta` che caratterizzano tali ammassi. In ultima analisi vengono presi in considerazione i principali processi di radiazione che hanno permesso di conoscere e studiare le strutture che definiscono questi sistemi.

Campi magnetici in astrofisica

Circa 2500 anni fa, a Magnesia, l’uomo scopriva la magnetite, un minerale del ferro che ha un contenuto di metallo particolarmente alto. Fu così che l’umanità venne a contatto per la prima volta, più o meno consapevolmente, con gli effetti dei campi magnetici. Già il filosofo greco Talete di Mileto nel VI secolo a.C. descrisse gli effetti di tali pietre, ma l’umanità non smise di esserne affascinata. Un esempio astronomicamente noto di campo magnetico su ampia scala è quello terrestre: il nostro pianeta si può pensare come un grosso magnete con un campo di BE ≈ 0.3...0.5G, che tra le altre cose ci protegge dalle particelle ad altissima energia intrappolandole nelle cosiddette fasce di Van Allen. Vi sono poi campi magnetici molto più intensi, a partire da quelli generati in altri pianeti, come Giove, o di stelle e altri corpi celesti particolarmente densi, che possono raggiungere i 10^15G. Ma i campi magnetici sono largamente diffusi anche in tutto lo spazio interstellare e intergalattico, dove hanno valori molto inferiori, che sfiorano i pochi μG. Come si può intuire, un così ampio spettro di valori si traduce in un’altrettanto ricca gamma di metodi di rilevazione. In particolare, in questo elaborato, ci concentreremo soprattutto sui metodi di studio dei campi magnetici meno intensi, la cui conoscenza si basa sulle proprietà osservabili della radiazione di sincrotrone, principalmente indi- viduabili dai dati radio. Dedichiamo quindi un breve capitolo alla derivazione dello spettro della radiazione suddetta (Capitolo 2), preceduto da un accenno alle proprietà energetiche dei plasmi magnetizzati (Capitolo 1). Ci occupiamo infine per l’intero Capitolo 3 di alcuni tra i più diffusi metodi diagnostici, preferendo, come già anticipa- to quelli che analizzano gli spettri prodotti da elettroni relativistici in moto in campi magnetici, ma attraversando comunque gli effetti dei plasmi magnetizzati sulla propagazione della luce e sulla separazione delle righe spettrali.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Le equazioni di stato (EdS) sono relazioni che permettono di descrivere sistemi termodinamici all'equilibrio. Un esempio di questi sistemi sono i gas, che si possono dividere in gas perfetti e gas degeneri, che differiscono per importanti proprietà e caratteristiche fisiche. Le proprietà dei gas degeneri cambiano in base al tipo di particelle che li compongono, il comportamento di un gas degenere di Fermioni è molto diverso da quello di un gas degenere di Bosoni. Per lo studio e la descrizione dei gas degeneri di Fermioni entrano in gioco il principio di esclusione di Pauli ed il principio di inderteminazione di Heisenberg. Attraverso le EdS si possono descrivere gli interni stellari poiché per via delle alte temperature le stelle sono formate da gas completamente ionizzato. La pressione all'interno di una stella è data dalla somma tra la pressione di radiazione, la pressione elettronica e la pressione ionica, in base al tipo di gas elettronico che si ha ed alla temperatura interna la stella può essere formata da gas perfetto o gas degenere. Lo studio del regime di pressione interno per una stella si fa con il grafico densità-temperatura, in cui una stella viene rappresentata nel piano attraverso queste due grandezze. Si vede come le stelle di sequenza principale siano formate da gas perfetto mentre i corpi compatti come le nane bianche sono formati da gas completamente degenere. Attraverso le EdS ed il principio dell'equilibrio idrostatico si possono ricavare la temperatura interna per le stelle di sequenza principale e la relazione massa-raggio per le nane bianche.

Formazione delle galassie

Le galassie sono strutture che popolano l'universo e i primi studi riguardanti la loro formazione e composizione risalgono a qualche secolo fa. Nella seguente trattazione si illustreranno i principali metodi di classificazione in base alla configurazione morfologica oppure rispetto ad altre proprietà caratteristiche. Al fine di comprendere al meglio i modelli teorici in grado di dare una spiegazione su come si siano originate le galassie, si esporranno le fasi fondamentali dell'evoluzione dell'universo e le proprietà della materia oscura. Infine ci si soffermerà su un particolare modello di formazione e sull'influenza che può avere riguardo ai buchi neri all'interno delle galassie.