Early-type galaxies as probes of galaxy formation and cosmology

The goal of this thesis is to analyze the possibility of using early-type galaxies to place evolutionary and cosmological constraints, by both disentangling what is the main driver of ETGs evolution between mass and environment, and developing a technique to constrain H(z) and the cosmological parameters studying the ETGs age-redshift relation. The (U-V) rest-frame color distribution is studied as a function of mass and environment for two sample of ETGs up to z=1, extracted from the zCOSMOS survey with a new selection criterion. The color distributions and the slopes of the color-mass and color-environment relations are studied, finding a strong dependence on mass and a minor dependence on environment. The spectral analysis performed on the D4000 and Hδ features gives results validating the previous analysis. The main driver of galaxy evolution is found to be the galaxy mass, the environment playing a subdominant but non negligible role. The age distribution of ETGs is also analyzed as a function of mass, providing strong evidences supporting a downsizing scenario. The possibility of setting cosmological constraints studying the age-redshift relation is studied, discussing the relative degeneracies and model dependencies. A new approach is developed, aiming to minimize the impact of systematics on the “cosmic chronometer” method. Analyzing theoretical models, it is demonstrated that the D4000 is a feature correlated almost linearly with age at fixed metallicity, depending only minorly on the models assumed or on the SFH chosen. The analysis of a SDSS sample of ETGs shows that it is possible to use the differential D4000 evolution of the galaxies to set constraints to cosmological parameters in an almost model-independent way. Values of the Hubble constant and of the dark energy EoS parameter are found, which are not only fully compatible, but also with a comparable error budget with the latest results.

Caratterizzazione meccanica multiscala di materiali rocciosi strutturalmente complessi

The research work was aimed at studying, with a deterministic approach, the relationships between the rock’s texture and its mechanical properties determined at the laboratory scale. The experimentation was performed on a monomineralic crystalline rock, varying in texture, i.e. grains shape. Multi-scale analysis has been adopted to determine the elasto-mechanical properties of the crystals composing the rock and its strength and deformability at the macro-scale. This let us to understand how the structural variability of the investigated rock affects its macromechanical behaviour. Investigations have been performed on three different scales: nano-scale (order of nm), micro-scale (tens of m) and macro-scale (cm). Innovative techniques for rock mechanics, i.e. Depth Sensing Indentation (DSI), have been applied, in order to determine the elasto-mechanical properties of the calcite grains. These techniques have also allowed to study the influence of grain boundaries on the mechanical response of calcite grains by varying the indents’ sizes and to quantify the effect of the applied load on the hardness and elastic modulus of the grain (indentation size effect, ISE). The secondary effects of static indentation Berkovich, Vickers and Knoop were analyzed by SEM, and some considerations on the rock’s brittle behaviour and the effect of microcracks can be made.

Vendemmia meccanica: aspettative, problematiche e risposte sperimentali

Lo vendemmia meccanica incontra ancora resistenze legate al timore di peggiorare la qualità del prodotto e di avere elevate perdite di raccolta. In questo contesto sono state effettuate quattro prove sperimentali, finalizzate a definire le interazioni macchina, pianta e prodotto raccolto e a valutare nuove possibilità di regolazione delle vendemmiatrici e di gestione del prodotto raccolto. Le prime due sono state realizzate con vendemmiatrici a scuotimento orizzontale e verticale. L’obiettivo è stato quello di individuare l’influenza della frequenza del battitore sull’efficienza di raccolta e sulla qualità del prodotto e di verificare il maltrattamento provocato dagli organi di intercettazione e trasporto della vendemmiatrice. I risultati hanno dimostrato l’importanza della corretta regolazione del battitore delle vendemmiatrici a scuotimento orizzontale che operano direttamente sulla fascia produttiva del vigneto. Questa regolazione risulta più semplice sulle macchine a scuotimento verticale che agiscono indirettamente sui fili di sostegno delle doppie cortine. La misura delle sollecitazioni all’interno della macchina ha evidenziato valori anche elevati, pericolosi per l’integrità del prodotto raccolto, legati alla differente costruzione degli organi d’intercettazione e trasporto. La terza prova ha valutato l’efficacia di due nuovi accessori per le vendemmiatrici: la regolazione dell’ampiezza del battitore e un sensore per misurare in continuo il grado di ammostamento provocato. I risultati hanno dimostrato la loro validità per migliorare le prestazioni operative delle vendemmiatrici e per fornire agli operatori uno strumento di controllo in tempo reale sulla qualità della raccolta. Infine, considerando che le vendemmiatrici producono sempre un ammostamento dell’uva, abbiamo verificato un sistema innovativo che permette di anticipare la protezione del mosto libero già durante il trasporto dal campo. Il sistema si è dimostrato semplice, efficace ed economico. Queste esperienze hanno dimostrano che la vendemmia meccanica, se correttamente gestita, permette di ottenere ottimi risultati sotto il profilo qualitativo, tecnologico ed economico.

Virus a RNA e a DNA: importanza dell’ampliamento dello spettro d’ospite nell’evoluzione virale

L’ampliamento dello spettro d’ospite è strettamente connesso al processo evolutivo a cui i virus sono assoggettati e rappresenta una notevole sfida alla loro capacità di adattarsi. L’attitudine a superare le barriere di specie è conseguente alla costante e relativamente rapida evoluzione che caratterizza i virus; allo stesso tempo, la forza selettiva esercitata dal nuovo ospite rappresenterà un ulteriore stimolo per le capacità adattative del virus. Ad oggi, i meccanismi genetici ed evolutivi responsabili del salto di specie virale, cioè la trasmissione di un virus da un ospite tradizionale ad uno precedentemente resistente all’infezione, sono parzialmente sconosciuti. Nel seguente lavoro verranno presentati gli studi effettuati sulle dinamiche evolutive caratterizzanti virus a RNA e a DNA in cui si sono osservate variazioni dello spettro d’ospite. Gli studi hanno riguardato i coronavirus, con particolare riferimento al ruolo svolto dai pipistrelli nell’evoluzione dei coronavirus SARS-correlati, e l’importanza del gatto nell’evoluzione dei parvovirus dei carnivori. Nella prima sezione saranno mostrate le correlazioni genetiche dei coronavirus identificati in Italia nei pipistrelli appartenenti alla specie Rhinolophus ferrumequinum con i ceppi europei e del resto del mondo, allo scopo di chiarire l’origine evolutiva dei coronavirus dei pipistrelli correlati al virus della SARS (Bat-SARS-like CoV) europei, gli eventi migratori che hanno caratterizzato la loro diffusione nel continente e le potenziali ripercussioni sulla salute pubblica. Nella seconda sezione saranno evidenziate le caratteristiche molecolari dei ceppi di parvovirus circolanti nella popolazione felina, valutandone la diversità di sequenza e la complessità genetica, allo scopo di ottenere importanti informazioni in merito all’evoluzione del virus e alle interazioni tra il parvovirus e l’ospite.

Testing future weak lensing surveys through simulations of observations

Weak lensing experiments such as the future ESA-accepted mission Euclid aim to measure cosmological parameters with unprecedented accuracy. It is important to assess the precision that can be obtained in these measurements by applying analysis software on mock images that contain many sources of noise present in the real data. In this Thesis, we show a method to perform simulations of observations, that produce realistic images of the sky according to characteristics of the instrument and of the survey. We then use these images to test the performances of the Euclid mission. In particular, we concentrate on the precision of the photometric redshift measurements, which are key data to perform cosmic shear tomography. We calculate the fraction of the total observed sample that must be discarded to reach the required level of precision, that is equal to 0.05(1+z) for a galaxy with measured redshift z, with different ancillary ground-based observations. The results highlight the importance of u-band observations, especially to discriminate between low (z < 0.5) and high (z ~ 3) redshifts, and the need for good observing sites, with seeing FWHM < 1. arcsec. We then construct an optimal filter to detect galaxy clusters through photometric catalogues of galaxies, and we test it on the COSMOS field, obtaining 27 lensing-confirmed detections. Applying this algorithm on mock Euclid data, we verify the possibility to detect clusters with mass above 10^14.2 solar masses with a low rate of false detections.

An optimal estimator for the correlation of CMB anisotropies with Large Scale Structures and its application to WMAP-7year and NVSS

In the thesis we present the implementation of the quadratic maximum likelihood (QML) method, ideal to estimate the angular power spectrum of the cross-correlation between cosmic microwave background (CMB) and large scale structure (LSS) maps as well as their individual auto-spectra. Such a tool is an optimal method (unbiased and with minimum variance) in pixel space and goes beyond all the previous harmonic analysis present in the literature. We describe the implementation of the QML method in the {\it BolISW} code and demonstrate its accuracy on simulated maps throughout a Monte Carlo. We apply this optimal estimator to WMAP 7-year and NRAO VLA Sky Survey (NVSS) data and explore the robustness of the angular power spectrum estimates obtained by the QML method. Taking into account the shot noise and one of the systematics (declination correction) in NVSS, we can safely use most of the information contained in this survey. On the contrary we neglect the noise in temperature since WMAP is already cosmic variance dominated on the large scales. Because of a discrepancy in the galaxy auto spectrum between the estimates and the theoretical model, we use two different galaxy distributions: the first one with a constant bias $b$ and the second one with a redshift dependent bias $b(z)$. Finally, we make use of the angular power spectrum estimates obtained by the QML method to derive constraints on the dark energy critical density in a flat $\Lambda$CDM model by different likelihood prescriptions. When using just the cross-correlation between WMAP7 and NVSS maps with 1.8° resolution, we show that $\Omega_\Lambda$ is about the 70\% of the total energy density, disfavouring an Einstein-de Sitter Universe at more than 2 $\sigma$ CL (confidence level).

The Universe 10 Billion years ago: Morphologies, Star-formation rates and Galactic-scale winds in z ∼ 2 Galaxies

This thesis is devoted to the study of the properties of high-redsfhit galaxies in the epoch 1 < z < 3, when a substantial fraction of galaxy mass was assembled, and when the evolution of the star-formation rate density peaked. Following a multi-perspective approach and using the most recent and high-quality data available (spectra, photometry and imaging), the morphologies and the star-formation properties of high-redsfhit galaxies were investigated. Through an accurate morphological analyses, the built up of the Hubble sequence was placed around z ~ 2.5. High-redshift galaxies appear, in general, much more irregular and asymmetric than local ones. Moreover, the occurrence of morphological k-­correction is less pronounced than in the local Universe. Different star-formation rate indicators were also studied. The comparison of ultra-violet and optical based estimates, with the values derived from infra-red luminosity showed that the traditional way of addressing the dust obscuration is problematic, at high-redshifts, and new models of dust geometry and composition are required. Finally, by means of stacking techniques applied to rest-frame ultra-violet spectra of star-forming galaxies at z~2, the warm phase of galactic-scale outflows was studied. Evidence was found of escaping gas at velocities of ~ 100 km/s. Studying the correlation of inter-­stellar absorption lines equivalent widths with galaxy physical properties, the intensity of the outflow-related spectral features was proven to depend strongly on a combination of the velocity dispersion of the gas and its geometry.

Campi magnetici in astrofisica

Vengono descritti alcuni fenomeni legati ai campo magnetici attraverso la magnetoidrodinamica, approfondendo in particolare i modelli e le evidenze in riferimento al caso solare

Environment of radio sources in the vla-cosmos survey

Sebbene studiati a fondo, i processi che hanno portato alla formazione ed alla evoluzione delle galassie così come sono osservate nell'Universo attuale non sono ancora del tutto compresi. La visione attuale della storia di formazione delle strutture prevede che il collasso gravitazionale, a partire dalle fluttuazioni di densità primordiali, porti all'innesco della formazione stellare; quindi che un qualche processo intervenga e la interrompa. Diversi studi vedono il principale responsabile di questa brusca interruzione della formazione stellare nei fenomeni di attività nucleare al centro delle galassie (Active Galactic Nuclei, AGN), capaci di fornire l'energia necessaria a impedire il collasso gravitazionale del gas e la formazione di nuove stelle. Uno dei segni della presenza di un tale fenomeno all'interno di una galassia e l'emissione radio dovuta ai fenomeni di accrescimento di gas su buco nero. In questo lavoro di tesi si è studiato l'ambiente delle radio sorgenti nel campo della survey VLA-COSMOS. Partendo da un campione di 1806 radio sorgenti e 1482993 galassie che non presentassero emissione radio, con redshift fotometrici e fotometria provenienti dalla survey COSMOS e dalla sua parte radio (VLA-COSMOS), si è stimata la ricchezza dell'ambiente attorno a ciascuna radio sorgente, contando il numero di galassie senza emissione radio presenti all'interno di un cilindro di raggio di base 1 Mpc e di altezza proporzionale all'errore sul redshift fotometrico di ciascuna radio sorgente, centrato su di essa. Al fine di stimare la significatività dei risultati si è creato un campione di controllo costituito da 1806 galassie che non presentassero emissione radio e si è stimato l'ambiente attorno a ciascuna di esse con lo stesso metodo usato per le radio sorgenti. I risultati mostrano che gli ammassi di galassie aventi al proprio centro una radio sorgente sono significativamente più ricchi di quelli con al proprio centro una galassia senza emissione radio. Tale differenza in ricchezza permane indipendentemente da selezioni basate sul redshift, la massa stellare e il tasso di formazione stellare specifica delle galassie del campione e mostra che gli ammassi di galassie con al proprio centro una radio sorgente dovuta a fenomeni di AGN sono significativamente più ricchi di ammassi con al proprio centro una galassia senza emissione radio. Questo effetto e più marcato per AGN di tipo FR I rispetto ad oggetti di tipo FR II, indicando una correlazione fra potenza dell'AGN e formazione delle strutture. Tali risultati gettano nuova luce sui meccanismi di formazione ed evoluzione delle galassie che prevedono una stretta correlazione tra fenomeni di AGN, formazione stellare ed interruzione della stessa.