Observability of high density tracing molecular lines in lensed galaxies with the Atacama large millimeter array

Lo scopo di questo lavoro di tesi è indagare le capacità di ALMA di osservare il continuo e le righe molecolari di emissione di HCN, HCO+ e HNC, in galassie lensate ad alto z, nelle prime fasi della loro formazione. Per farlo vengono utilizzate osservazioni ALMA di righe di emissione molecolare, relative a dati pubblici di Ciclo 0. Queste osservazioni vengono utilizzate per simulare in modo realistico l’emissione da parte di galassie ad alto z e la risposta osservativa del telescopio, assumendo diverse possibili geometrie di lensing. Inoltre le recenti osservazioni ALMA sono state utilizzate per aggiornare le relazioni già esistenti tra la luminosità FIR e la luminosità delle righe molecolari. Queste recenti osservazioni con maggiore sensibilità e risoluzione angolare, sembrano essere in buon accordo con le precedenti osservazioni. Per realizzare questo progetto di tesi, sono stati scaricati dall’archivio ALMA i dati non calibrati relativi a due sorgenti ben studiate: NGC1614, rappresentativa delle galassie di tipo starburst ed IRAS 20551-4250, un AGN oscurato. Il processo di calibrazione è stato ripetuto per esaminare le proprietà dei cubi di dati utilizzando il pacchetto Common Astronomy Software Applications (CASA). Le righe spettrali osservate e l’emissione del continuo sono state successivamente estrapolate ad alto z riscalando adeguatamente le distanze, le dimensioni delle sorgenti e le frequenze di emissione. In seguito è stato applicato un modello di lensing gravitazionale basato su quello di Lapi et al. (2012). Sono state considerate diverse configurazioni tra lente e sorgente per ottenere diverse geometrie delle immagini e diversi fattori di amplificazione. Infine stato utilizzato il software CASA per simulare le osservazioni ALMA in modo da verificare le capacità osservative del telescopio al variare della geometria del sistema. Per ogni riga molecolare e per l’emissione del continuo sono state determinate la sensibilit e la risoluzione che possono essere raggiunte con le osservazioni ALMA e sono state analizzate alcune strategie osservative per effettuare survey di righe spettrali in oggetti lensati. Inoltre stata analizzata la possibilit di caratterizzare oggetti starburst ed AGN dai rapporti tra le righe di emissione delle molecole traccianti di alta densit. Le prestazioni di ALMA consentiranno di distinguere e stimare i contributi relativi di SB ed AGN in galassie lensate a z > 2.5, quindi vicine alla loro presunta epoca di formazione (Lapi et al. 2010), in meno di 5 minuti di osservazione per qualsiasi fattore di magnificazione. Nel presente lavoro sono state inoltre discusse alcune strategie osservative per condurre survey o followup per osservare le righe di HCN(4-3), HCO+(4-3) e HNC(4-3) in galassie lensate a redshift 2.5 < z < 3, dimostrando che sono possibili per campioni statisticamente significativi in tempi relativamente brevi.

The thickness of the gaseous layer in disk galaxies

il profilo verticale del gas dipende sia dal potenziale galattico, e quindi dalla distribuzione di materia, sia dalla dispersione di velocit`a del gas La nostra analisi teorica ha mostrato che l’altezza scala dell’idrogeno gassoso ad un certo raggio `e fortemente legata alla componente di massa dominate: nelle parti centrali, dove domina la materia barionica, il disco gassoso incrementa il suo spessore esponenzialmente con una lunghezza scala pari al doppio di quella del disco stellare; dalle zone intermedie fino alla fine del disco, il profilo verticale del gas `e influenzato dalla distribuzione di DM. In queste zone lo spessore del disco gassoso cresce con il raggio in maniera circa lineare. Tale fenomeno viene definito gas flaring. Lo scopo principale di questa tesi `e la ricerca di una nuova tecnica per poter stimare il profilo vertical del gas in galassie con inclinazione intermedia.

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.

The gas mass fraction and the dynamical state in x-ray luminous clusters of galaxies at low redshift

Gli ammassi di galassie sono le strutture gravitazionalmente legate con le più profonde buche di potenziale, pertanto è previsto che questi contengano una frazione di barioni non molto diversa da quella cosmologica. Con l’introduzione di modelli sempre più accurati di fisica barionica all’interno di simulazioni idrodinamiche è stato possibile predire la percentuale cosmica di barioni presente negli ammassi di galassie. Unendo questi modelli previsionali con misure della frazione di gas in ammassi e informazioni sulla densità di barioni dell’Universo si può ottenere una stima della densità di materia cosmica Ωm. L'obiettivo di questo lavoro di Tesi è la stima di Ωm a partire dalla frazione di gas osservata in questi sistemi. Questo lavoro era stato già fatto in precedenza, ma tenendo in considerazione solo gli ammassi più massivi e dinamicamente rilassati. Usando parametri che caratterizzano la morfologia della distribuzione di brillanza superficiale nei raggi X, abbiamo classificato i nostri oggetti come rilassati o disturbati, laddove presentassero evidenze di recenti attività di interazione. Abbiamo dunque valutato l’impatto degli oggetti disturbati sulla stima del parametro cosmologico Ωm, computando il Chi2 tra la frazione di massa barionica nell’Universo e quella da noi ricavata. Infine abbiamo investigato una relazione tra il valore della frazione di gas degli ammassi rilassati e quello dei disturbati, in modo da correggere quindi questi ultimi, riportandoli nei dintorni del valore medio per i rilassati e usarli per ampliare il campione e porre un vincolo più stringente su Ωm. Anche con il limitato campione a nostra disposizione, è stato possibile porre un vincolo più stretto su Ωm, utilizzando un maggior numero di oggetti e riducendo così l’errore statistico.

Connection between x-ray and radio properties of cool-core galaxy clusters hosting radio mini-halos

Gli ammassi di galassie sono gli oggetti gravitazionalmente legati più grandi dell’Universo. Questi emettono principalmente in banda X tramite bremsstrahlung. Una frazione mostra anche emissione radio diffusa da parte di elettroni relativistici che spiraleggiano nel campo magnetico. Si possono classificare tre tipi di emissione: alon, relitti e mini-aloni radio (MH). I MH sono sorgenti radio su scale di ≥ 200 – 500 kpc, osservate al centro di ammassi caratterizzati dalla presenze di cool-core (CC). L’origine dei MH non è ancora chiara. Gli elettroni relativistici che emettono in banda radio hanno tempi di vita radiativi di molto inferiori a quelli necessari per diffondere sulle scale dell’emissione diffusa. Quindi non sono semplicemente iniettati dalle galassie presenti negli ammassi ed è necessario un meccanismo di accelerazione “in-situ” nell’ICM. I MH testimoniano la presenza di meccanismi che canalizzano parte del budget energetico disponibile nei CC nell’ICM.Quindi lo studio è importante per comprendere la fisica dell’ICM e l’interazione fra le componenti non termiche e termiche. I MH si formano attraverso la riaccelerazione delle particelle relativistiche ad opera della turbolenza del gas. L’origine di questa turbolenza tuttavia non è ancora ben compresa. Gli ammassi CC sono caratterizzati da un picco della brillanza X nelle regioni centrali e da un drop della temperatura verso il centro accompagnata da aumento della densità del gas. Si ritiene che questo sia dovuto al raffreddamento del gas che quindi fluisce nelle zone centrali. Recenti osservazioni in X risultan inconsistenti con il modello classico di CF, suggerendo la presenza di una sorgente di riscaldamento del gas su scale del core degli ammassi. Recentemente Zhuravleva (2014) hanno mostrato che il riscaldamento dovuto alla turbolenza prodotta dall'AGN centrale è in grado di bilanciare il processo di raffreddamento. Abbiamo assunto che la turbolenza responsabile del riscaldamento del gas è anche responsabile dell’accelerazione delle particelle nei MH. Nell’ambito di questo scenario ci si aspetta una correlazione tra la potenza del cooling flow, PCF, che è una misura del tasso di energia emessa dal gas che raffredda nei CC, e la luminosità radio, che è una frazione dell’energia della turbolenza che è canalizzata nell’accelerazione delle particelle. In questo lavoro di tesi abbiamo utilizzato il più grande campione disponibile di MH, allo scopo di studiare la connessione fra le proprietà dei MH e quelle del gas termico nei core degli ammassi che li ospitano. Abbiamo analizzato i dati di 21 ammassi e ricavato i parametri fisici all’interno del raggio di cooling e del MH. Abbiamo ricavato la correlazione fra luminosità radio, e PCF. Abbiamo trovato che le due quantità correlano in modo quasi-lineare confermando i risultati precedenti. Tale correlazione suggerisce uno stretto legame fra le proprietà del gas nei CC e l’origine dei MH.

High-energy view of radio galaxies: prospects for the new generation of Cherenkov telescopes

I Nuclei Galattici Attivi (AGN) sono sorgenti luminose e compatte alimentate dall'accrescimento di materia sul buco nero supermassiccio al centro di una galassia. Una frazione di AGN, detta "radio-loud", emette fortemente nel radio grazie a getti relativistici accelerati dal buco nero. I Misaligned AGN (MAGN) sono sorgenti radio-loud il cui getto non è allineato con la nostra linea di vista (radiogalassie e SSRQ). La grande maggioranza delle sorgenti extragalattiche osservate in banda gamma sono blazar, mentre, in particolare in banda TeV, abbiamo solo 4 MAGN osservati. Lo scopo di questa tesi è valutare l'impatto del Cherenkov Telescope Array (CTA), il nuovo strumento TeV, sugli studi di MAGN. Dopo aver studiato le proprietà dei 4 MAGN TeV usando dati MeV-GeV dal telescopio Fermi e dati TeV dalla letteratura, abbiamo assunto come candidati TeV i MAGN osservati da Fermi. Abbiamo quindi simulato 50 ore di osservazioni CTA per ogni sorgente e calcolato la loro significatività. Assumendo una estrapolazione diretta dello spettro Fermi, prevediamo la scoperta di 9 nuovi MAGN TeV con il CTA, tutte sorgenti locali di tipo FR I. Applicando un cutoff esponenziale a 100 GeV, come forma spettrale più realistica secondo i dati osservativi, prevediamo la scoperta di 2-3 nuovi MAGN TeV. Per quanto riguarda l'analisi spettrale con il CTA, secondo i nostri studi sarà possibile ottenere uno spettro per 5 nuove sorgenti con tempi osservativi dell'ordine di 250 ore. In entrambi i casi, i candidati migliori risultano essere sempre sorgenti locali (z<0.1) e con spettro Fermi piatto (Gamma<2.2). La migliore strategia osservativa per ottenere questi risultati non corrisponde con i piani attuali per il CTA che prevedono una survey non puntata, in quanto queste sorgenti sono deboli, e necessitano di lunghe osservazioni puntate per essere rilevate (almeno 50 ore per studi di flusso integrato e 250 per studi spettrali).

A study of the turbulence of the neutral medium in two nearby spiral galaxies

The width of the 21 cm line (HI) emitted by spiral galaxies depends on the physical processes that release energy in the Interstellar Medium (ISM). This quantity is called velocity dispersion (σ) and it is proportional first of all to the thermal kinetic energy of the gas. The accepted theoretical picture predicts that the neutral hydrogen component (HI) exists in the ISM in two stable phases: a cold one (CNM, with σ~0.8 km/s) and a warm one (WNM, with σ~8 km/s). However, this is called into question by the observation that the HI gas has usually larger velocity dispersions. This suggests the presence of turbulence in the ISM, although the energy sources remain unknown. In this thesis we want to shed new light on this topic. We have studied the HI line emission of two nearby galaxies: NGC6946 and M101. For the latter we used new deep observations obtained with the Westerbork radio interferometer. Through a gaussian fitting procedure, we produced dispersion maps of the two galaxies. For both of them, we compared the σ values measured in the spiral arms with those in the interarms. In NGC6946 we found that, in both arms and interarms, σ grows with the column density, while we obtained the opposite for M 101. Using a statistical analysis we did not find a significant difference between arm and interarm dispersion distributions. Producing star formation rate density maps (SFRD) of the galaxies, we studied their global and local relations with the HI kinetic energy, as inferred from the measured dispersions. For NGC6946 we obtained a good log-log correlation, in agreement with a simple model of supernova feedback driven turbulence. This shows that in this galaxy turbulent motions are mainly induced by the stellar activity. For M 101 we did not find an analogous correlation, since the gas kinetic energy appears constant with the SFRD. We think that this may indicate that in this galaxy turbulence is driven also by accretion of extragalactic material.

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.

Appearance of halos in Greenland

Obwohl Halo-Erscheinungen unter allen geographischen Breiten vorkommen, können sie doch als ein speziell polares Phänomen angesprochen werden, zumal ihre Häufigkeit im groben Durchschnitt von den Polen zum Äquator hin stetig abnimmt. Die größte Zahl von Halo-Tagen wird demnach in den arktischen und antarktischen Gebieten wahrgenommen, und das Maximum stellt nach R. Meyer die Zahl dar, welche 1911/12 von der Deutschen Antarktischen Expedition verzeichnet wurde. Es ist daher außerordentlich bedauerlich, daß systematische Halo Beobachtungen aus den Polargebieten so gut wie ganz fehlen, obwohl die Phänomene neuerdings an Interesse stark gewinnen. Die Meteorologischen Jahrbücher von Grönland (Det Danske Meteorologiske Aarbok, 2. Teil: Grönland) enthalten keinerlei Aufzeichnungen darüber, und man ist daher auf das naturgemäß immer lückenhafte Beobachtungsmaterial einzelner Expeditionen angewiesen, welche dort arbeiteten. Umso erfreulicher ist es, daß die groß angelegte "Deutsche Grönland-Expedition Alfred Wegener 1930/31" eingehende Beobachtungen angestellt hat, welche in Band IV, Teil 1 des Werkes "Wissenschaftliche Ergebnisse der Deutschen Grönland-Expedition Alfred Wegener 1929 und 1930/31" veröffentlicht sind. Es sei daher gestattet, im folgenden einen kurzen Überblick über diese Arbeiten zu geben.