Massima estensione della soluzione di Schwarzschild e diagrammi di Penrose

Il punto di partenza dell'elaborato riguarda il modo in cui si giunge, a partire dalla relatività ristretta, a quella generale. Quest'ultima viene poi identificata come una teoria della gravitazione in cui si ottengono le equazioni di campo. Da qui si discute la soluzione delle equazioni di Einstein trovata da Schwarzschild evidenziandone i limiti. Si procede alla estensione di questa soluzione introducendo dapprima le coordinate di Eddington-Finkelstein e poi l'estensione massima data da Kruskal. Infine viene mostrato come è possibile compattificare l'infinito spaziotempo in una regione finita senza alterare la struttura causale. Questo viene fatto tramite delle trasformazioni particolari: le trasformazioni conformi. I diagrammi spaziotemporali che si ottengono dopo la compattificazione conforme sono conosciuti come i digrammi di Penrose e qui si vede come ottenere quelli dello spaziotempo di Minkowski e quelli dello spaziotempo della soluzione di Schwarzschild.

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.

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.

Effetti relativistici in astrofisica

La prima parte di questa trattazione è dedicata alla descrizione di due importanti processi di emissione non termici, ovvero la radiazione di Sincrotrone e l’effetto Compton Inverso, poi verranno confrontati e sarà stabilito il limite massimo di temperatura di una radiosorgente. La seconda parte tratta di alcuni effetti che si verificano nel caso di sorgenti in movimento a velocità relativistiche, cioè effetto Doppler relativistico, moti superluminali e Doppler Boosting. Infine mostrerò come questi effetti relativistici, in particolare il Doppler Boosting, in combinazione con l’opacità dei fotoni-γ diano un’evidenza indiretta che per i lampi-γ e in oggetti come i Nuclei Galattici Attivi vi sia emissione di materiale relativistico.

Campi magnetici in astrofisica

In ambiente astrofisico, se si parla di campi magnetici, due sono gli elementi che devono sovvenire alla mente: plasma relativistico e radiazione di sincrotrone. L'elaborato vuole illustrare in modo più semplice possibile come si presenta una radiosorgente dal punto di vista magnetoidrodinamico e, più ampiamente, come funziona a livello di interazione elettromagnetica di sincrotrone

Fisica dell'accrescimento

L'accrescimento è un processo fondamentale in astrofisica data la sua grandissima efficienza. Nel 1959 venne individuato il primo Quasar (pur non sapendo realmente di cosa si trattasse) e nel 1963 l'astronomo tedesco Maarten Schmidt scoprì che tale oggetto, di magnitudine apparente 13 (si credeva fosse una stella), aveva un redshift z = 0:37. Stelle di magnitudine 13 non dovrebbero avere un redshift così grande. Tale oggetto doveva trovarsi a grande distanza ed emettere una luminosità molto alta, superiore anche a quella di un'intera galassia. Processi termonucleari non erano sufficientemente efficienti per spiegare un'emissione di questo tipo: si capì presto che tale emissione dovesse avere origine gravitazionale, fosse cioè dovuta all'accrescimento di materia su un buco nero. In questa tesi, dopo aver spiegato come l'accrescimento rappresenti un'importante fonte di energia in astrofisica, presenterò, nel Capitolo 1, il modello di Bondi, presentato nel 1952 da Hermann Bondi. Tale modello è il più semplice modello di accrescimento e, pur essendo basato su ipotesi (che vedremo) che trascurano diversi aspetti importanti, risulta comunque un modello fondamentale, perché permette di ricavare quantità rilevanti in astrofisica. Successivamente, nel Capitolo 2, ricaverò il valore della Luminosità di Eddington, che esprime la massima luminosità che può emettere un corpo in simmetria sferica. Anche questo risultato verrà ricavato imponendo ipotesi abbastanza restrittive, quindi non andrà interpretato come un limite invalicabile. Nel Capitolo 3 parlerò (più qualitativamente, e senza la pretesa di entrare nei dettagli) di come si formano i dischi di accrescimento, che si originano quando la materia che va ad accrescere ha un momento angolare non nullo: quindi non siamo più nel caso di accrescimento a simmetria sferica. Infine, parlerò dei processi che originano gli spettri osservati degli AGN, riferendomi prevalentemente a quei processi che originano il continuo dello spettro.

Ricerca di AGN oscurati nei Chandra Deep Fields

La forma spettrale dell’X-ray background richiede l’esistenza di un grande numero di AGN mediamente oscurati, oltre alla presenza di AGN fortemente oscurati, la cui densità di colonna supera il limite Compton (Nh>10^24 cm^(-2)). A causa della loro natura, questi oggetti risultano di difficile osservazione, per cui è necessario adottare un approccio multi-banda per riuscire a rivelarli. In questo lavoro di tesi abbiamo studiato 29 sorgenti osservate nel CDF-S e 10 nel CDF-N a 0.0710^23, spettro piatto, riga del ferro): a seguito di questa analisi sono state individuate 9 sorgenti che presentano indicazioni di forte oscuramento. Dallo studio del rapporto tra la luminosità X (2-10 keV) e quella MIR (12.3um) dedotta dal SED-fitting, si è ottenuta una conferma della possibile presenza di forte oscuramento nelle 9 sorgenti selezionate a seguito dell’analisi spettrale. Abbiamo inoltre confrontato il tasso di formazione stellare dedotto dalla banda X (0.5-8 keV) e da quella IR (8-1000um) per identificare le sorgenti nelle quali l’emissione da AGN risulta essere dominante. A seguito di questa analisi abbiamo identificato 9 sorgenti (le stesse di cui sopra) con indicazione di forte oscuramento; di queste, 3 mostrano chiare indicazioni della presenza di un AGN Compton Thick (Nh>10^24 cm^(-2), riga del ferro intensa, basso rapporto LX/MIR).

An X-ray study of CIV-selected AGN in the COSMOS field

Negli ultimi vent’anni innumerevoli sforzi sono stati compiuti a livello internazionale per ottenere un censimento completo degli “Active Galactic Nuclei” (AGN), ovvero di nuclei galattici attivi, oscurati in banda X. Tale censimento potrebbe rappresentare infatti la soluzione alla problematica del cosiddetto fondo cosmico non risolto in banda X. Gli studi finora condotti sfruttano la forte correlazione fra l'attività del SMBH e l'evoluzione della galassia ospite attraverso osservazioni in banda X hard, nel vicino-medio infrarosso e nell'ottico. Questa tesi si colloca in questo scenario con lo scopo di verificare e confermare l'affidabilità della selezione tramite la riga di emissione del CIV a 1549 Å di AGN oscurati fino a z≈3. Per raggiungere tale obiettivo è stato assunto che il CIV rappresenti un indicatore affidabile della luminosità intrinseca degli AGN e del loro alto potenziale di ionizzazione. Inoltre, allo studio in banda ottica delle sorgenti sono stati associati i dati profondi in banda X per analizzarne le proprietà X e caratterizzarne l’ammontare dell’oscuramento in tale banda in termini di densità di colonna di idrogeno. In particolare, in questo lavoro vengono presentati i risultati dell’analisi in banda X del campione di 192 AGN selezionati nella survey ottica zCOSMOS-Deep, attraverso la riga di emissione del CIV a 1549 Å. Queste 192 sorgenti hanno un redshift medio di 2.2 e una magnitudine media AB in banda B di 23.7. La copertura in banda X del campo selezionato è data dalla survey Chandra COSMOS-Legacy comprendente 4.6 Ms di osservazioni in un’area di 2.2 deg2. I risultati ottenuti in questo progetto di tesi tramite la selezione possono ritenersi soddisfacenti: metà delle AGN di Tipo 2 selezionate con il CIV e rilevate in banda X risultano fortemente oscurate (NH>10^23 cm^(-2) ). Inoltre, le AGN di Tipo 2 non rilevate in banda X risultano consistenti con uno scenario di oggetti oscurati.

Heavily obscured AGN: an ideal laboratory to study the early co-evolution of galaxies and black holes

Obscured AGN are a crucial ingredient to understand the full growth history of super massive black holes and the coevolution with their host galaxies, since they constitute the bulk of the BH accretion. In the distant Universe, many of them are hosted by submillimeter galaxies (SMGs), characterized by a high production of stars and a very fast consumption of gas. Therefore, the analysis of this class of objects is fundamental to investigate the role of the ISM in the early coevolution of galaxies and black holes. We present a multiwavelength study of a sample of six obscured X-ray selected AGN at z>2.5 in the CDF-S, detected in the far-IR/submm bands. We performed the X-ray spectral analysis based on the 7Ms Chandra dataset, which provides the best X-ray spectral information currently available for distant AGN. We were able to place constraints on the obscuring column densities and the intrinsic luminosities of our targets. Moreover, we built up the UV to FIR spectral energy distributions (SEDs) by combining the broad-band photometry from CANDELS and the Herschel catalogs, and analyzed them by means of an SED decomposition technique. Therefore, we derived important physical parameters of both the host galaxy and the AGN. In addition, we obtained, through an empirical calibration, the gas mass in the host galaxy and assessed the galaxy sizes in order to estimate the column density associated with the host ISM. The comparison of the ISM column densities with the values measured from the X-ray spectral analysis pointed out that the contribution of the host ISM to the obscuration of the AGN emission can be substantial, ranging from ~10% up to ~100% of the value derived from the X-ray spectra. The absorption may occur at different physical scales in these sources and, in particular, the medium in the host galaxy is an ingredient that should be taken into account, since it may have a relevant role in driving the early co-evolution of galaxies with their black holes.

Spectral analysis of four 'hypervariable' AGN: a micro-needle in the haystack?

We analyze four extreme AGN transients to explore the possibility that they are caused by rare, high-amplitude microlensing events. These previously unknown type-I AGN are located in the redshift range 0.6-1.1 and show changes of > 1.5 magnitudes in the g-band on a timescale of ~years. Multi-epoch optical spectroscopy, from the William Herschel Telescope, shows clear differential variability in the broad line fluxes with respect to the continuum changes and also evolution in the line profiles. In two cases a simple point-source, point-lens microlensing model provides an excellent match to the long-term variability seen in these objects. For both models the parameter constraints are consistent with the microlensing being due to an intervening stellar mass object but as yet there is no confirmation of the presence of an intervening galaxy. The models predict a peak amplification of 10.3/13.5 and an Einstein timescale of 7.5/10.8 years respectively. In one case the data also allow constraints on the size of the CIII] emitting region, with some simplifying assumptions, to to be ~1.0-6.5 light-days and a lower limit on the size of the MgII emitting region to be > 9 light-days (half-light radii). This CIII] radius is perhaps surprisingly small. In the remaining two objects there is spectroscopic evidence for an intervening absorber but the extra structure seen in the lightcurves requires a more complex lensing scenario to adequately explain.

Campi magnetici in astrofisica: determinazione dell'intensità minima e massima del campo magnetico delle pulsar

L’intento dell’elaborato è quello di ricavare i limiti teorici ai quali è soggetta l’intensità del campo magnetico delle pulsar. Troveremo due relazioni: una che esprime il valore massimo dell’intensità del campo magnetico per una pulsar, e una che ne esprime il valore minimo. Combineremo infine i nostri due risultati in una disequazione, nella quale l'intensità del campo magnetico di una pulsar è minorata e maggiorata dai due termini trovati. Il valore massimo che può assumere l’intensità del campo magnetico di una pulsar verrà derivato dalla condizione di stabilità espressa dal teorema del viriale per un sistema sferico rotante in presenza di un campo magnetico. Enunceremo inizialmente il teorema del viriale nella sua forma generale, dopodiché ne presenteremo l'espressione in un caso statico in presenza di un campo magnetico. Abbandoneremo poi il caso statico per includere l'effetto della rotazione, non trascurabile nel caso delle pulsar. Dopo aver adattato la condizione di stabilità derivante dal teorema del viriale al nostro modello di pulsar, ricaveremo il valore massimo dell'intensità del campo magnetico. Il valore minimo che può assumere l’intensità del campo magnetico di una pulsar verrà ricavato uguagliando la potenza emessa dalla pulsar mentre ruota (approssimata ad un dipolo rotante) con la perdita di energia rotazionale che si osserva normalmente per questi oggetti. Otterremo alla fine due termini che delimitano i valori che può assumere l’intensità del campo magnetico per una pulsar. Sostituendo alla relazione trovata i valori di raggio e massa tipici per una pulsar, saremo in grado di riscrivere tale relazione unicamente in funzione del periodo di rotazione della pulsar e della sua derivata rispetto al tempo. Sostituiremo i valori di periodo e derivata temporale del periodo di una pulsar esistente per avere un’idea del range di valori sotteso dai due termini trovati.

Investigating the AGN-starburst connection in a nearby Seyfert galaxy with ALMA and multiwavelength data

The astrophysical context in which this thesis project lies concerns the comprehension of the mutual interaction between the accretion onto a Super Massive Black Hole (SMBH) and the Star Formation (SF), that take place in the host galaxy. This is one of the key topic of the modern extragalactic astrophysical research. Indeed, it is widely accepted that to understand the physics of a galaxy, the contribution of a possible central AGN must be taken into account. The aim of this thesis is the study of the physical processes of the nearby Seyfert galaxy NGC 34. This source was selected because of the wide collection of multiwavelength data available in the literature. In addition, recently, it has been observed with the Atacama Large Submillimeter/Millimeter Array (ALMA) in Band 9. This project is divided in two main parts: first of all, we reduced and analyzed the ALMA data, obtaining the continuum and CO(6-5) maps; then, we looked for a coherent explaination of NGC 34 physical characteristics. In particular, we focused on the ISM physics, in order to understand its properties in terms of density, chemical composition and dominant radiation field (SF or accretion). This work has been done through the analysis of the spectral distribution of several CO transitions as a function of the transition number (CO SLED), obtained joining the CO(6-5) line with other transitions available in the literature. More precisely, the observed CO SLED has been compared with ISM models, including Photo-Dissociation Regions (PDRs) and X-ray-Dominated Regions (XDRs). These models have been obtained through the state-of-the-art photoionization code CLOUDY. Along with the observed CO SLED, we have taken into account other physical properties of NGC 34, such as the Star Formation Rate (SFR), the gas mass and the X-ray luminosity.

Studio delle proprietà in banda X degli AGN a z > 5.5

Si è effettuato lo studio più completo e uniforme delle proprietà X degli AGN ad alto redshift (z>5.5) mai realizzato. Questo studio vuole anche essere un lavoro preliminare per le survey che verranno effettuate con eROSITA e, su tempi più lunghi, con Athena.

X-ray analysis of local mid-infrared selected Compton-thick AGN candidates

Cosmic X-ray background synthesis models (Gilli 2007) require a significant fraction of obscured AGN, some of which are expected to be heavily obscured (Compton-thick), but the number density of observationally found obscured sources is still an open issue (Vignali 2010, 2014). This thesis work takes advantage of recent NuSTAR data and is based on a multiwavelength research approach. Gruppioni et al. 2016 compared the AGN bolometric luminosity, for a sample of local 12 micron Seyfert galaxies, derived from the SED decomposition to the same quantity obtained by the 2-10 keV luminosity (IPAC-NED). A difference up to two orders of magnitude resulted between these quantities for some sources. Thus, the intrinsic X-ray luminosity obtained correcting for the obscuration may be underestimated. In this thesis we have tested this hypothesis by re-analysing the X-ray spectra of three of the sources (UGC05101, NGC1194 and NGC3079), for which observations from NuSTAR and Chandra and/or XMM-Newton were available. This is meant to extend our analysis to energies above 10 keV and thus estimate the AGN column density as reliable as possible. For spectral fitting we made use of both the commonly used XSPEC package and the two very recent MYtorus and BNtorus physical models. The available wide bandpass allowed us to achieve new and more solid insights into the X-ray spectral properties of these sources. The measured absorption column densities are highly suggestive of heavy obscuration. Once corrected the X-ray AGN luminosity for the obscuration estimated through our spectral analysis, we compared the L(X) values in the 2-10 keV band with those derived from the MIR band, by means of the relation by Gandhi, 2009. As expected, the values derived from this relation are in good agreement with those we measured, indicating that the column densities were underestimated in the previous literature works.

Probing the innermost regions of AGN via time-resolved spectral analysis

The dynamics and geometry of the material inflowing and outflowing close to the supermassive black hole in active galactic nuclei are still uncertain. X-rays are the most suitable way to study the AGN innermost regions because of the Fe Kα emission line, a proxy of accretion, and Fe absorption lines produced by outflows. Winds are typically classified as Warm Absorbers (slow and mildly ionized) and Ultra Fast Outflows (fast and highly ionized). Transient Obscurers -optically thick winds that produce strong spectral hardening in X-rays, lasting from days to months- have been observed recently. Emission and absorption features vary on time-scales from hours to years, probing phenomena at different distances from the SMBH. In this work, we use time-resolved spectral analysis to investigate the accretion and ejection flows, to characterize them individually and search for correlations. We analyzed XMM-Newtomn data of a set of the brightest Seyfert 1 galaxies that went through an obscuration event: NGC 3783, NGC 3227, NGC 5548, and NGC 985. Our aim is to search for emission/absorption lines in short-duration spectra (∼ 10ks), to explore regions as close as the SMBH as the statistics allows for, and possibly catch transient phenomena. First we run a blind search to detect emission/absorption features, then we analyze their evolution with Residual Maps: we visualize simultaneously positive and negative residuals from the continuum in the time-energy plane, looking for patterns and relative time-scales. In NGC 3783 we were able to ascribe variations of the Fe Kα emission line to absorptions at the same energy due to clumps in the obscurer, whose presence is detected at >3σ, and to determine the size of the clumps. In NGC 3227 we detected a wind at ∼ 0.2c at ∼ 2σ, briefly appearing during an obscuration event.