Analisi spettrale in banda X e proprietà multi-frequenza della galassia ULIRG IRAS 13120-5453

L’interruzione dell’attività di formazione stellare nelle galassie attraverso l’azione di venti guidati dalla potenza dell’AGN e/o dall’attività di starburst è una fase prevista da tutti i modelli di coevoluzione tra i buchi neri super massicci e la galassia ospite. La recente scoperta di venti molecolari massivi in alcune ULIRG locali ha fornito una prova forte a favore dell’esistenza del meccanismo di feedback negativo nelle galassie. Ad oggi non è chiaro il ruolo che l'attività di AGN e di starburst hanno nella produzione dei venti: tuttavia, la maggior parte delle ULIRG in cui sono stati osservati i venti molecolari presentano elevati tassi e velocità di outflow, suggerendo che l'AGN giochi un ruolo principale. IRAS 13120-5453 rappresenta un caso particolare: la sua attività e dominata dalla formazione stellare, ma sembra anche ospitare un AGN oscurato al suo interno. Tuttavia, non presenta elevati tassi di outflow e velocità dei venti: non è quindi chiaro quale dei due fenomeni vi sia all'origine. In questo lavoro di tesi si è operata un'analisi multibanda di questa sorgente con lo scopo di studiarne le principali proprietà fisiche. Lo studio in banda X attraverso l'analisi dei dati provenienti dai satelliti XMM-Newton, Chandra e NuSTAR ha permesso di conoscere parametri importanti come il grado di oscuramento della sorgente e la potenza dell'AGN. Con l'analisi in banda IR, è stato possibile conoscere il contributo dell'AGN e della starburst alla luminosità IR e i principali parametri fisici di questa galassia. L’obiettivo di tale lavoro è quello di capire il ruolo svolto da questi due principali fenomeni e quale possa essere la connessione con i venti molecolari.

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.

A study of extended radio galaxies in the Shapley concentration core

Extended cluster radio galaxies show different morphologies com- pared to those found isolated in the field. Indeed, symmetric double radio galaxies are only a small percentage of the total content of ra- dio loud cluster galaxies, which show mainly tailed morphologies (e.g. O’Dea & Owen, 1985). Moreover, cluster mergers can deeply affect the statistical properties of their radio activity. In order to better understand the morphological and radio activity differences of the radio galaxies in major mergeing and non/tidal-merging clusters, we performed a multifrequency study of extended radio galax- ies inside two cluster complexes, A3528 and A3558. They belong to the innermost region of the Shapley Concentration, the most massive con- centration of galaxy clusters (termed supercluster) in the local Universe, at average redshift z ≈ 0.043. We analysed low frequency radio data performed at 235 and 610 MHz with Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) and we combined them with proprietary and literature observations, in order to have a wide frequency range (150 MHz to 8.4 GHz) to perform the spectral analysis. The low frequency images allowed us to carry out a detailed study of the radio tails and diffuse emission found in some cases. The results in the radio band were also qualitatively compared with the X-ray information coming from XMM-Newton observations, in order to test the interaction between radio galaxies and cluster weather. We found that the brightest central galaxies (BCGs) in the A3528 cluster complex are powerful and present substantial emission from old relativistic plasma characterized by a steep spectrum (α > 2). In the light of observational pieces of evidence, we suggest they are possible re-started radio galaxies. On the other hand, the tailed radio galaxies trace the host galaxy motion with respect to the ICM, and our find- ings is consistent with the dynamical interpretation of a tidal interaction (Gastaldello et al. 2003). On the contrary, the BCGs in the A3558 clus- ter complex are either quiet or very faint radio galaxies, supporting the hypothesis that clusters mergers quench the radio emission from AGN.

Modifiche al protocollo di trasporto LTP per migliorarne le prestazioni in presenza di perdite elevate

La presente tesi si pone come obiettivo quello di analizzare il protocollo LTP (in particolare in ION) e proporre dei miglioramenti utili al caso in cui siano presenti perdite elevate. Piu in dettaglio, una prima parte introduttiva motiva l'inefficacia del TCP/IP in ambito interplanetario e introduce l'architettura DTN Bundle Protocol (Cap.1). La tesi prosegue con la descrizione delle specifiche del protocollo LTP (Cap.2), in particolar modo evidenziando come un bundle venga incapsulato in un blocco LTP, come questo sia successivamente diviso in tanti segmenti LTP e come questi vengano successivamente inviati con il protocollo UDP o con un protocollo analogo. Viene quindi presentata un'approfondita analisi delle penalizzazioni dovute alle perdite dei segmenti LTP, sia di tipo dati che di segnalazione (Cap. 3). Quest'analisi permette di dimostrare la criticita degli effetti delle perdite, in particolare per quello che riguarda i segmenti LTP di segnalazione. Mentre in presenza di perdite basse tali effetti hanno in media un impatto minimo sul tempo di consegna di un blocco LTP (quindi del bundle in esso contenuto), in quanto avvengono raramente, in presenza di perdite elevate rappresentano un collo di bottiglia per il tempo di consegna di un blocco LTP. A tal proposito sono state proposte alcune modifiche che permettono di migliorare le prestazioni di LTP (Cap. 4) compatibilmente con le specifiche RFC in modo da garantire l'interoperabilita con le diverse implementazioni del protocollo. Successivamente nel Cap. 5 viene mostrato come sono state implementate le modifiche proposte in ION 3.4.1. Nel capitolo finale (Cap. 6) sono presenti i risultati numerici relativi ad alcuni test preliminari eseguiti confrontando la versione originale del protocollo con le versioni modificate contenenti i miglioramenti proposti. I test sono risultati molto positivi per elevate perdite, confermando cosi la validita dell'analisi e dei miglioramenti introdotti.

High resolution study of narrow tailed radio galaxies in clusters

Clusters of galaxies are the most massive and large gravitationally bounded systems in the whole Universe. Their study is of fundamental importance to constrain cosmological parameters and to obtain informations regarding various kind of emission in different wavebands. In particular, in the radio domain, beside the diffuse emission, the study is focused on the radio galaxies emission. Radio galaxies in clusters can have peculiar morphology, since they interact with the intracluster medium (ICM) in which they are embedded. Particularly, in this thesis we focused our attention on the so-called Narrow-Angle Tailed radio galaxies (NAT), which present radio jets that are bent at extreme angle, up to 90 degrees, from their original orientation. Some NAT show a narrow extended structure and the two radio tails are not resolved even with high resolution radio observations. An example is provided by the source IC310, in the Perseus Cluster, whose structure has been recently interpreted as due to Doppler boosting effects of a relativistic jet oriented at a small angle with respect to the line of sight. If the structure is due to relativistic effects, this implies that the jets are relativistic at about 400 kpc from the core, but this is in contrast with unified models, which predict that for low-power radio source (NAT are classified as FRI radio galaxies) the jets decelerate to sub-relativistic speed within a few kpc from the core. To investigate this scientific topic, in this thesis we have analyzed the innermost structure of a sample of eleven radio galaxies showing a very narrow NAT structure. We can conclude that the structure of these radio galaxies is different from that of IC310. These radio galaxies are indeed strongly influenced by environmental effects and are similar to classical NAT sources.

Costruzione di un filtro ottimale per la ricerca di ammassi di galassie in survey fotometriche

Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi che possiamo osservare nell’Universo. La loro formazione deriva direttamente dalla crescita delle perturbazioni primordiali di densità e dal loro conseguente collasso gravitazionale indotto appunto dalla gravità. Gli ammassi di galassie sono molto importanti in Astrofisica in quanto possono essere considerati come dei laboratori per lo studio di molti aspetti fisici legati al gas, all’ICM e all’evoluzione delle galassie. Lo studio degli ammassi di galassie è molto importante anche per la Cosmologia in quanto è possibile effettuare delle stime sui parametri cosmologici ed ottenere dei vincoli sulla geometria dell’Universo andando a valutare la loro massa e la loro distribuzione nell’Universo. Diventa quindi fondamentale l’utilizzo di algoritmi che ci permettano di utilizzare i dati ottenuti dalle osservazioni per cercare ed individuare gli ammassi di galassie in modo tale da definire meglio la loro distribuzione nell’Universo. Le più recenti survey di galassie ci forniscono molteplici informazioni a riguardo delle galassie, come ad esempio la loro magnitudine in varie bande osservative, il loro colore, la loro velocità ecc. In questo lavoro abbiamo voluto testare la performance di un algoritmo Optimal Filtering nella ricerca degli ammassi di galassie utilizzando prima solo l’informazione della magnitudine delle galassie e successivamente anche l’informazione sul loro colore. Quello che abbiamo voluto fare, quindi, è stato valutare se l’utilizzo combinato della magnitudine delle galassie e del loro colore permette all’algoritmo di individuare più facilmente, e in numero maggiore, gli ammassi di galassie.

Measurement of the Z and W production cross section in pp collisions at LHC using a bayesian approach

L’obiettivo di tutto il mio lavoro è stato quello di misurare le sezioni d’urto di produzione dei bosoni deboli W ± e Z nei loro decadimenti leptonici (e, μ) coi dati raccolti dal rivelatore ATLAS a LHC con un’energia del centro di massa di √s = 13 TeV relativi all’estate 2015. Gli eventi selezionati sono gli stessi di quelli del recente articolo della Collaborazione ATLAS sullo stesso argomento, in modo anche da poter operare un confronto tra i risultati ottenuti. Confronto peraltro necessario, poichè i risultati sono stati ottenuti con due metodologie differenti: tradizionale (classica) per l’articolo, bayesiana in questa tesi. L’approccio bayesiano permette di combinare i vari canali e di trattare gli effetti sistematici in modo del tutto naturale. I risultati ottenuti sono in ottimo accordo con le predizioni dello Standard Model e con quelli pubblicati da ATLAS.

Analytic modelling of the galactic fountain in the Milky Way potential

Le galassie a spirale, come la Via Lattea, sono caratterizzate dalla presenza di gas freddo e formazione stellare e vengono perciò chiamate star-forming. Per creare nuove stelle è necessaria una sufficiente riserva di gas, la cui disponibilità governa l’evoluzione della galassia stessa. Finora, non è stato individuato con certezza un meccanismo che possa alimentare la formazione di nuove stelle nelle galassie star-forming. Una delle possibili sorgenti di tale gas è l’alone galattico caldo (corona galattica) il cui raffreddamento e successivo accrescimento possono essere stimolati dal processo di fontana galattica. L’esplosione di supernovae porta nubi di gas freddo in orbita al di sopra del disco stellare; queste nubi raggiungono altezze dell’ordine del kiloparsec, interagendo con la corona di gas caldo. Il moto delle nubi all’interno di un mezzo meno denso comporta l’instaurarsi dell’instabilità di Kelvin-Helmholtz, che ’strappa’ gas dalle nubi e causa la condensazione di materia coronale. Quest’ultima viene quindi accresciuta e, ricadendo sul disco, trasferisce nuovo materiale alla galassia e ne alimenta la formazione stellare. Lo scopo di questa tesi è derivare un modello analitico di fontana galattica che consenta di ottenere una formulazione analitica per il tempo orbitale, cioè il tempo richiesto alle nubi per ricadere sul disco galattico. Infatti, più u tempo le nubi impiegano per attraversare il materiale coronale caldo e ricadere sul disco, più materiale viene accresciuto durante l’orbita. Conoscendo i tempi orbitali sarebbe possibile calcolare il tasso di accrescimento legato al fenomeno di fontana e studiarne l’andamento con il raggio del disco. Questo modello potrebbe rivelarsi utile per lo studio dell’impatto della fontana nell’evoluzione globale del disco galattico e della chimica dell’intera galassia.

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.

Le Blue Straggler Stars e le popolazioni multiple in quattro ammassi globulari galattici

In questo elaborato viene presentato lo studio fotometrico di quattro ammassi globulari galattici. I target di questa Tesi fanno parte della HST UV Legacy Survey degli ammassi globulari galattici (Piotto et al. 2015). Nell'ambito di questa survey sono stati osservati, in modo omogeneo, 57 ammassi globulari galattici con il telescopio spaziale Hubble e la camera WFC3, in tre bande fotometriche ultraviolette e blu. Un dataset così composto è adatto a numerosi scopi, tra cui lo studio delle popolazioni calde come le BSS e delle popolazioni multiple. Sono stati selezionati quattro ammassi particolarmente popolosi e tra i più densi del campione, allo scopo di mettere a punto indicatori di evoluzione dinamica e comprendere il ruolo di quest'ultima sulle proprietà delle popolazioni multiple presenti nei sistemi selezionati. Lo studio dell'evoluzione dinamica è stato effettuato tramite la distribuzione radiale delle BSS (Blue Straggler Stars), che è stato dimostrato esserne un efficiente indicatore (Ferraro et al. 2012). I risultati ottenuti evidenziano chiaramente che tutti gli ammassi selezionati si trovano in fasi avanzate di evoluzione dinamica, come suggerito dall'alta densità che li caratterizza. Anche lo studio delle proprietà delle popolazioni multiple, ovvero sottopopolazioni con differenti abbondanze chimiche di elementi leggeri, la cui presenza è stata recentemente osservata negli ammassi globulari, è stato effettuato tramite lo studio della loro distribuzione radiale. Tra i quattro casi analizzati, soltanto M 15 ha mostrato una separazione significativa tra le distribuzioni radiali delle due popolazioni.

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.

Study of new particle acceleration mechanisms in galaxy clusters through low frequency radio observations

Diffuse radio emission in galaxy clusters has been observed with different size and properties. Giant radio halos (RH), Mpc-size sources found in merging clusters, and mini halos (MH), 0.1-0.5 Mpc size sources located in relaxed cool-core clusters, are thought to be distinct classes of objects with different formation mechanisms. However, recent observations have revealed the unexpected presence of diffuse emission on Mpc-scales in relaxed clusters that host a central MH and show no signs of major mergers. The study of these sources is still at the beginning and it is not yet clear what could be the origin of their unusual emission. The main goal of this thesis is to test the occurrence of these peculiar sources and investigate their properties using low frequency radio observations. This thesis consists in the study of a sample of 12 cool-core galaxy clusters which present some level of dynamical disturbances on large-scale. The heterogeneity of sources in the sample allowed me to investigate under which conditions a halo-type emission is present in MH clusters; and also to study the connection between AGN bubbles and the local environment. Using high sensitivity LOFAR observations, I have detected large-scale emission in four non-merging clusters, in addition to the central MH. I have constrained for the first time the spectral properties of diffuse emission in these double radio component galaxy clusters, and I have investigated the connection between their thermal and non-thermal emission for a better comprehension of the acceleration mechanism. Furthermore, I derived upper limits to the halo power for the other clusters in the sample, which could present large-scale diffuse emission under the detection threshold. Finally, I have reconstructed the duty-cycle of one of the most powerful AGN known, located at the centre of a galaxy cluster of the sample.

Hydrodynamic simulations of multiple stellar populations in globular clusters

The presence of multiple stellar populations in globular clusters (GCs) is now well accepted, however, very little is known regarding their origin. In this Thesis, I study how multiple populations formed and evolved by means of customized 3D numerical simulations, in light of the most recent data from spectroscopic and photometric observations of Local and high-redshift Universe. Numerical simulations are the perfect tool to interpret these data: hydrodynamic simulations are suited to study the early phases of GCs formation, to follow in great detail the gas behavior, while N-body codes permit tracing the stellar component. First, we study the formation of second-generation stars in a rotating massive GC. We assume that second-generation stars are formed out of asymptotic giant branch stars (AGBs) ejecta, diluted by external pristine gas. We find that, for low pristine gas density, stars mainly formed out of AGBs ejecta rotate faster than stars formed out of more diluted gas, in qualitative agreement with current observations. Then, assuming a similar setup, we explored whether Type Ia supernovae affect the second- generation star formation and their chemical composition. We show that the evolution depends on the density of the infalling gas, but, in general, an iron spread is developed, which may explain the spread observed in some massive GCs. Finally, we focused on the long-term evolution of a GC, composed of two populations and orbiting the Milky Way disk. We have derived that, for an extended first population and a low-mass second one, the cluster loses almost 98 percent of its initial first population mass and the GC mass can be as much as 20 times less after a Hubble time. Under these conditions, the derived fraction of second-population stars reproduces the observed value, which is one of the strongest constraints of GC mass loss.

On the role of AGN feedback in shaping galaxies across cosmic time

Understanding how Active Galactic Nuclei (AGN) shape galaxy evolution is a key challenge of modern astronomy. In the framework where black hole (BH) and galaxy growth are linked, AGN feedback must be tackled both at its “causes” (e.g. AGN-driven winds) and its “effects” (alteration of the gas reservoir in AGN hosts). The most informative cosmic time is z~1-3, at the peak of AGN activity and galaxy buildup, the so-called cosmic noon. The aim of this thesis is to provide new insights regarding some key questions that still remain open in this research field: i) What are the properties of AGN-driven sub-pc scale winds at z>1? ii) Are AGN-driven winds effective in influencing the life of galaxies? iii) Do AGN impact directly on star formation (SF) and gas content of their hosts? I first address AGN feedback as “caught in the act” by studying ultra-fast outflows (UFOs), X-ray AGN-driven winds, in gravitationally lensed quasars. I build the first statistically robust sample of high-z AGN, not preselected based on AGN-driven winds. I derive a first estimate of the high-z UFO detection fraction and measure the UFO duty cycle of a single high-z quasar for the first time. I also address the “effects” of AGN feedback on the life of host galaxies. If AGN influence galaxy growth, then they will reasonably impact the molecular gas reservoir first, and SF as a consequence. Through a comparative study of the molecular gas content in cosmic-noon AGN hosts and matched non-active galaxies (i.e., galaxies not hosting an AGN), we find that the host galaxies of more regular AGN (not selected to be the most luminous) are generally similar to non-active galaxies. However, we report on the possibility of a luminosity effect regulating the efficiency by which AGN might impact on galaxy growth.

Non-thermal phenomena in galaxy clusters: the LOFAR revolution

Turbulence introduced into the intra-cluster medium (ICM) through cluster merger events transfers energy to non-thermal components (relativistic particles and magnetic fields) and can trigger the formation of diffuse synchrotron radio sources. Owing to their steep synchrotron spectral index, such diffuse sources can be better studied at low radio frequencies. In this respect, the LOw Frequency ARray (LOFAR) is revolutionizing our knowledge thanks to its unprecedented resolution and sensitivity below 200 MHz. In this Thesis we focus on the study of radio halos (RHs) by using LOFAR data. In the first part of this work we analyzed the largest-ever sample of galaxy clusters observed at radio frequencies. This includes 309 Planck clusters from the Second Data Release of the LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS-DR2), which span previously unexplored ranges of mass and redshift. We detected 83 RHs, half of which being new discoveries. In 140 clusters we lack a detected RH; for this sub-sample we developed new techniques to derive upper limits to their radio powers. By comparing detections and upper limits, we carried out the first statistical analysis of populations of clusters observed at low frequencies and tested theoretical formation models. In the second part of this Thesis we focused on ultra-steep spectrum radio halos. These sources are almost undetected at GHz frequencies, but are thought to be common at low frequencies. We presented LOFAR observations of two interesting clusters hosting ultra-steep spectrum radio halos. With complementary radio and X-ray observations we constrained the properties and origin of these targets.