La popolazione di Blue Straggler Stars in due ammassi globulari della Grande Nube di Magellano

Le Blue Straggler Stars (BSS) sono la popolazione di oggetti esotici piu' comune e numerosa negli ammassi globulari. Nel diagramma colore-magnitudine le BSS definiscono una sequenza più brillante e blu del punto di turn-off della Sequenza Principale, simulando una popolazione più giovane delle stelle dell'ammasso.  Osservazioni hanno dimostrato che le BSS hanno una massa significativamente più grande (1.2-1.7 Msun) di quella delle stelle di un ammasso globulare. Per questa proprietà, la distribuzione radiale delle BSS e' un utile strumento per tracciare empiricamente lo stato di evoluzione dinamica degli ammassi stellari. Il lavoro di tesi si è concentrato sullo studio della popolazione di BSS di due ammassi globulari della Grande Nube di Magellano: NGC2257 e NGC1754. Applicando metodi di indagine già usati per sistemi stellari della Via Lattea, abbiamo derivato le eta' dinamiche di questi due sistemi e le abbiamo confrontate con stime teoriche.

Un nuovo indicatore di segregazione radiale delle blue stragglers

Le blue straggler stars (BSS) sono un importante strumento osservativo per gli studi mirati alla determinazione dell'evoluzione dinamica degli ammassi globulari. La loro distribuzione radiale, influenzata dal fenomeno di segregazione di massa, costituisce un efficace strumento per la determinazione dello stato di rilassamento del sistema. In questo lavoro di tesi sono esplorate le potenzialità di un nuovo indicatore di segregazione centrale delle BSS: la cosiddetta "Area Positiva (A+)", definita come la differenza tra l'area sottesa dalla distribuzione radiale cumulativa delle BSS e quella di una popolazione di riferimento. Per costruzione, questo parametro e` indicatore sensibile del livello di segregazione delle BSS. Il campione di ammassi e` costituito da 18 oggetti di bassa densità e concentrazione recentemente osservati nell'ambito di una survey ultravioletta con la camera WFC3/UVIS (Piotto et al. 2015) e 8 sistemi di densità più elevata, analizzati in lavori precedenti. Per ciascun ammasso sono state selezionate le popolazioni di BSS e di stelle di riferimento lungo la sequenza principale o il ramo delle giganti e sono state costruite le rispettive distribuzioni radiali cumulative, da cui e` stata poi determinata l'Area Positiva. Sono state infine individuate forti correlazioni tra A+ e alcuni parametri strutturali/dinamici degli ammassi, in particolare col tempo di rilassamento e la densita` centrali. Questi risultati dimostrano che il parametro A+ e` un buon misuratore del grado di evoluzione dinamica degli ammassi globulari.

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.

Chemical and kinematical properties of Blue Straggler stars in Galactic globular clusters

Blue straggler stars (BSSs) are brighter and bluer (hotter) than the main-sequence (MS) turnoff and they are known to be more massive than MS stars.Two main scenarios for their formation have been proposed:collision-induced stellar mergers (COL-BSSs),or mass-transfer in binary systems (MT-BSSs).Depleted surface abundances of C and O are expected for MT-BSSs,whereas no chemical anomalies are predicted for COL-BSSs.Both MT- and COL-BSSs should rotate fast, but braking mechanisms may intervene with efficiencies and time-scales not well known yet,thus preventing a clear prediction of the expected rotational velocities.Within this context,an extensive survey is ongoing by using the multi-object spectrograph FLAMES@VLT,with the aim to obtain abundance patterns and rotational velocities for representative samples of BSSs in several Galactic GCs.A sub-population of CO-depleted BSSs has been identified in 47 Tuc,with only one fast rotating star detected.For this PhD Thesis work I analyzed FLAMES spectra of more than 130 BSSs in four GCs:M4,NGC 6397,M30 and ω Centauri.This is the largest sample of BSSs spectroscopically investigated so far.Hints of CO depletion have been observed in only 4-5 cases (in M30 and ω Centauri),suggesting either that the majority of BSSs have a collisional origin,or that the CO-depletion is a transient phenomenon.Unfortunately,no conclusions in terms of formation mechanism could be drawn in a large number of cases,because of the effects of radiative levitation. Remarkably,however,this is the first time that evidence of radiative levitation is found in BSSs hotter than 8200 K.Finally, we also discovered the largest fractions of fast rotating BSSs ever observed in any GCs:40% in M4 and 30% in ω Centauri.While not solving the problem of BSS formation,these results provide invaluable information about the BSS physical properties,which is crucial to build realistic models of their evolution.

Blue luminous stars in nearby galaxies: Quantitative spectral analysis of M33 B-type supergiant stars

We present the detailed spectral analysis of a sample of M33 B-type supergiant stars, aimed at the determination of their fundamental parameters and chemical composition. The analysis is based on a grid of non-LTE metal line-blanketed model atmospheres including the effects of stellar winds and spherical extension computed with the code FASTWIND. Surface abundance ratios of C, N, and O are used to discuss the chemical evolutionary status of each individual star. The comparison of observed stellar properties with theoretical predictions of massive star evolutionary models shows good agreement within the uncertainties of the analysis. The spatial distribution of the sample allows us to investigate the existence of radial abundance gradients in the disk of M33. The comparison of stellar and H II region O abundances ( based on direct determinations of the electron temperature of the nebulae) shows good agreement. Using a simple linear radial representation, the stellar oxygen abundances result in a gradient of -0.0145 +/- 0.005 dex arcmin(-1) (or -0.06 +/- 0.02 dex kpc(-1)) up to a distance equal to similar to 1.1 times the isophotal radius of the galaxy. A more complex representation cannot be completely discarded by our stellar sample. The stellar Mg and Si abundances follow the trend displayed by O abundances, although with shallower gradients. These differences in gradient slope cannot be explained at this point. The derived abundances of the three alpha-elements yield solar metallicity in the central regions of the disk of M33. A comparison with recent planetary nebula data from Magrini and coworkers indicates that the disk of M33 has not suffered from a significant O enrichment in the last 3 Gyr.

Coppie di ammassi globulari in lmc

Le Nubi di Magellano sono una coppia di galassie irregolari molto vicine alla nostra. La loro vicinanza le ha rese target ideali per molti studi, tra cui ricerche sulla formazione ed evoluzione di popolazioni stellari. Da questi studi è emerso che una delle principali differenze tra le Nubi e la MW sta nella popolazione di ammassi globulari: circa il 20% degli ammassi di LMC, infatti, appartiene a una coppia. Si tratta di distinguere tra coppie reali o apparenti, cercando sistemi legati. Questo può essere fatto per via spettrometrica (attraverso velocità radiali o composizione chimica) e/o fotometrica (attraverso stima dell'età e profili di densità). In questo lavoro vengono analizzate fotometricamente tre coppie di LMC, al fine di determinarne la natura per migliorare le statistiche esistenti e porre dei constrain sulle conoscenze a disposizione.

Abbondanze chimiche delle Blue Straggler Stars dell'ammasso aperto NGC 188

My Thesis work is aimed at searching for evidence of CO-depletion in the atmosphere of these objects. To this end, I am analyzing high-resolution spectra recently acquired with the spectrograph HDS at the Subaru Telescope. The global sample is composed of 5 BSSs with hot WD companions, 3 additional binary BSSs with no a significant far-UV excess, and one "normal" stars (along the RGB star) needed for comparison. The analysis will provide us with the surface chemical abundances (especially of C and O) of the target stars. The final goal is to verify the expected {chemical signature} and put constraints on its characteristic time scale (for instance, a positive detection in the 5 BSSs with hot companions and a non-detection in the other 3 binary BSSs would imply that CO-depletion is a transient phenomenon, lasting approx 300 Myr only). The analysis will also provide us with the rotational velocities of each target, thus allowing to investigate their kinematical properties and shed new light on their evolutionary path.

A spectroscopic and photometric study of MSP companions in Galactic Globular Clusters

This Thesis is devoted to the study of the optical companions of Millisecond Pulsars in Galactic Globular Clusters (GCs) as a part of a large project started at the Department of Astronomy of the Bologna University, in collaboration with other institutions (Astronomical Observatory of Cagliari and Bologna, University of Virginia), specifically dedicated to the study of the environmental effects on passive stellar evolution in galactic GCs. Globular Clusters are very efficient “Kilns” for generating exotic object, such as Millisecond Pulsars (MSP), low mass X-ray binaries(LMXB) or Blue Straggler Stars (BSS). In particular MSPs are formed in binary systems containing a Neutron Star which is spun up through mass accretion from the evolving companion (e.g. Bhattacharia & van den Heuvel 1991). The final stage of this recycling process is either the core of a peeled star (generally an Helium white dwarf) or a very light almos exhausted star, orbiting a very fast rotating Neutron Star (a MSP). Despite the large difference in total mass between the disk of the Galaxy and the Galactic GC system (up a factor 103), the percentage of fast rotating pulsar in binary systems found in the latter is very higher. MSPs in GCs show spin periods in the range 1.3 ÷ 30ms, slowdown rates ˙P 1019 s/s and a lower magnetic field, respect to ”normal” radio pulsars, B 108 gauss . The high probability of disruption of a binary systems after a supernova explosion, explain why we expect only a low percentage of recycled millisecond pulsars respect to the whole pulsar population. In fact only the 10% of the known 1800 radio pulsars are radio MSPs. Is not surprising, that MSP are overabundant in GCs respect to Galactic field, since in the Galactic Disk, MSPs can only form through the evolution of primordial binaries, and only if the binary survives to the supernova explosion which lead to the neutron star formation. On the other hand, the extremely high stellar density in the core of GCs, relative to most of the rest of the Galaxy, favors the formation of several different binary systems, suitable for the recycling of NSs (Davies at al. 1998). In this thesis we will present the properties two millisecond pulsars companions discovered in two globular clusters, the Helium white dwarf orbiting the MSP PSR 1911-5958A in NGC 6752 and the second case of a tidally deformed star orbiting an eclipsing millisecond pulsar, PSR J1701-3006B in NGC6266

A panchromatic study of stellar populations in Galactic Globular Clusters

The aim of this Thesis is to investigate (i) how common the bimodal Blue Straggler Stars (BSS) radial distribution is in stellar clusters and (ii) which are the physical processes that can produce this bimodality. We discuss possible relations between the properties of the BSS radial distribution and the dynamical state of the hosting clusters by making use of dynamical models and simulations. When relevant, we also discuss the possible links with some cluster "anomalies" and the effects of a massive object (like Imtermediate Mass Black Hole) in the cluster center. To this purpose we present the observational multiwavelength studies of the BSS populations and their radial distributions in 5 GGCs: M5, M55, M2, NGC 2419 and NGC 6388.

Resolved Stars' Insights into Galaxy Physics

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Further probing the nature of FSR 1767

With Two-Micron All-Sky Survey (2MASS) photometry and proper motions, Bonatto et al. suggested that FSR 1767 is a globular cluster (GC), while with J and K NTT/SOFI photometry Froebrich, Meusinger & Scholz concluded that it is not a star cluster. In this study, we combine previous and new evidence that are consistent with a GC. For instance, we show that the horizontal branch (HB) and red giant branch (RGB) stars, besides sharing a common proper motion, have radial density profiles that consistently follow the King`s law independently. Reddening maps around FSR 1767 are built using the bulge RGB as reference and also Schlegel`s extinction values to study local absorptions. Both approaches provide similar maps and show that FSR 1767 is not located in a dust window, which otherwise might have produced the stellar overdensity. Besides, neighbouring regions of similar reddening as FSR 1767 do not present the blue HB stars that are a conspicuous feature in the colour-magnitude diagram of FSR 1767. We report the presence of a compact group of stars located in the central parts of FSR 1767. It appears to be a detached post-collapse core, similar to those of other nearby low-luminosity GCs projected towards the bulge. We note that while the NTT/SOFI photometry of the star cluster FSR 1716 matches perfectly that from 2MASS, it shows a considerable offset for FSR 1767. We discuss the possible reasons why both photometries differ. We confirm our previous structural and photometric fundamental parameters for FSR 1767, which are consistent with a GC.

A cyclic bipolar wind in the interacting binary V 393 Scorpii

V393 Scorpii is a double periodic variable characterized by a relatively stable non-orbital photometric cycle of 253 d. Mennickent et al. argue for the presence of a massive optically thick disc around the more massive B-type component and describe the evolutionary stage of the system. In this paper, we analyse the behaviour of the main spectroscopic optical lines during the long non-orbital photometric cycle. We study the radial velocity of the donor determining its orbital elements and find a small but significant orbital eccentricity (e = 0.04). The donor spectral features are modelled and removed from the spectrum at every observing epoch using the light-curve model given by Mennickent et al. We find that the line emission is larger during eclipses and mostly comes from a bipolar wind. We also find that the long cycle is explained in terms of a modulation of the wind strength; the wind has a larger line and continuum emissivity at the high state. We report the discovery of highly variable chromospheric emission in the donor, as revealed by the Doppler maps of the emission lines Mg II 4481 and C I 6588. We discuss notable and some novel spectroscopic features like discrete absorption components, especially visible at blue depressed O I 7773 absorption wings during the second half-cycle, Balmer double emission with V/R curves showing 'Z-type' and 'S-type' excursions around secondary and main eclipses, respectively, and H beta emission wings extending up to +/- 2000 km s(-1). We also discuss possible causes for these phenomena and for their modulations with the long cycle.

La Controparte Ottica della "Black-Widow" nell'Ammasso Globulare M71

Le Millisecond Pulsar (MSP) sono stelle di neutroni magnetizzate e rapidamente rotanti, prodotte da fenomeni di accrescimento di massa e momento angolare da parte di una stella compagna. Secondo lo scenario canonico di formazione, è atteso che la stella compagna sia una nana bianca di He, privata del suo inviluppo esterno. Tuttavia, in un numero crescente di casi, la compagna della MSP è stata identificata in una stella di piccola massa, non degenere, ancora soggetta a fenomeni di perdita di massa. Queste MSP vengono comunemente chiamate ''Black-Widow'' (BW) e sono l'oggetto di studio di questa tesi. In particolare, l'obiettivo di questo lavoro è l'identificazione della controparte ottica della PSR J1953+1846A nell'ammasso globulare M71. Essa è classificata come BW, data la piccola massa della compagna (~0.032 Msun) e il segnale radio eclissato per circa il 20% dell'orbita. Tramite l'uso di osservazioni ad alta risoluzione con il telescopio spaziale Hubble, abbiamo identificato, in una posizione compatibile con la MSP, un debole oggetto, la cui variabilità mostra una periodicità coerente con quella del sistema binario, noto dalla banda radio. La struttura della curva di luce è indicativa della presenza di fenomeni di irraggiamento della superficie stellare esposta all'emissione della MSP e dalla sua analisi abbiamo stimato alcuni parametri fisici della compagna, come la temperatura superficiale ed il fattore di riempimento del lobo di Roche. Dal confronto tra le curve di luce X ed ottica, abbiamo inoltre trovato evidenze a favore della presenza di shocks nelle regioni intrabinarie. Abbiamo quindi evidenziato l'estrema similarità di questo sistema con l'unica compagna di BW attualmente nota in un ammasso globulare: PSR J1518+0204C. Infine, abbiamo effettuato uno studio preliminare delle controparti ottiche delle sorgenti X dell'ammasso. Abbiamo così identificato due AGN che, insieme ad altre due galassie, hanno permesso la determinazione del moto proprio assoluto delle stelle dell'ammasso.

Il profilo di dispersione di velocità nell'ammasso globulare ngc 2808

I GC rappresentano i laboratori ideali nei quali studiare la dinamica stellare e i suoi effetti sull'evoluzione stellare; infatti, sono gli unici sistemi astrofisici soggetti a quasi tutti i processi fisici noti nella dinamica stellare, entro il tempo scala dell'età dell'Universo. Questo lavoro di tesi si inserisce nell'ambito di un progetto di ricerca che mira ad una dettagliata caratterizzazione dell'evoluzione dinamica dei GC della Galassia. In particolare, la misura delle velocità radiali di un ampio campione di stelle poste a differenti distanze dal centro dell’ammasso permette di derivare il profilo di dispersione di velocità del sistema,il quale ne riflette lo stato dinamico ed è utile per verificare la possibile presenza di un buco nero di massa intermedia al centro dell'ammasso. Lo studio delle velocità radiali delle singole stelle può altresì fornire informazioni riguardo la distribuzione di massa del sistema,oltreché la presenza di un'eventuale rotazione. Inoltre, la conoscenza della sola distribuzione di densità non è sufficiente a vincolare univocamente i modelli e fornire una visione completa della fisica dei GC, in quanto ad ogni determinato profilo di densità possono corrispondere diverse condizioni dinamiche. La contemporanea conoscenza del profilo di dispersione di velocità e della eventuale curva di rotazione permette di rimuovere la degenerazione causata dalla sola conoscenza del profilo di densità. Seguendo un approccio multi-strumentale,è possibile campionare l'intera estensione radiale dell'ammasso globulare: con lo spettrografo FLAMES, le regioni esterne (da distanze di circa 20 arcsec dal centro fino al raggio mareale dell'ammasso), con lo spettrografo KMOS, quelle intermedie e con lo strumento IFU ad ottiche adattive SINFONI, le regioni centrali (pochi arcsec dal centro). Questo lavoro di tesi consiste nell'analisi di spettri ad alta risoluzione acquisiti con FLAMES per un grande campione di stelle (979) localizzate nelle regioni esterne dell'ammasso NGC 2808,con lo scopo di misurare le loro velocità radiali.

Caratteristiche principali dell'emissione di galassie a spirale

Le galassie spirali hanno la forma di un disco, con un nucleo globulare più o meno prominente detto bulge e alcune braccia a spirale che si avvolgono attorno ad esso. Il tutto è in rotazione attorno all'asse del disco, con una velocità angolare che varia dal centro alla periferia. Le spirali vengono designate con la lettera S, seguita da una lettera (a, b o c) a seconda dell'importanza dei bracci. Nelle spirali di tipo Sa, i bracci sono piuttosto stretti e il nucleo è preponderante, nelle Sb invece i bracci sono più prominenti e nelle Sc sono ancora più importanti rispetto al nucleo e hanno anche un aspetto piu' "diffuso". Le spirali barrate, che si indicano con la notazione SB seguita dalle lettere a, b o c, sono identiche alle precedenti, salvo per il fatto che le braccia partono dalle estremità di una barra di stelle e gas che attraversa diametralmente il bulge, anziché direttamente da questo. Il contenuto di queste galassie a spirale è piuttosto disomogeneo; la densità della materia diminuisce dal centro verso la periferia. Inoltre possiedono una grande quantità di gas mischiato a polvere, dal quale si formano tutt'ora molte nuove stelle. Le stelle sono concentrate nel nucleo, nei bracci e in un alone di ammassi globulari disposti intorno alla galassia. Inoltre, questo gas è soggetto a processi violenti come l'esplosione di supernoavae, che vi immettono grandi quantità di energia e altro materiale, perciò la materia interstellare è disposta in modo piuttosto irregolare, concentrata in nubi di varie dimensioni. E da queste nubi si formano le stelle. Nella prima parte dell'elaborato ci occuperemo del mezzo interstellare: temperatura e densità differenziano le fasi dell' ISM, da qui discendono i vari processi di emissione/assorbimento che vedremo nella seconda parte. Principalmente andremo ad analizzare cinque bande di emissione (banda X, ottica, radio, gamma e infrarossa) e vedremo come appaiono tipicamente le galassie a spirale a lunghezze d'onda differenti, quali sono i processi in gioco e come il mezzo interstellare sia fondamentale in quasi ogni tipo di processo. A temperature elevate, esso è responsabile dell'emissione X della galassia, mentre regioni più fredde, formate da idrogeno ionizzato, sono responsabili delle righe di emissione presenti nello spettro ottico. Il campo magnetico, tramite le sue interazioni con elettroni relativistici è la principale fonte dell'emissione radio nel continuo di una galassia a spirale, mentre quella in riga è dovuta a idrogeno atomico o a gas freddo. Vedremo infine come raggi cosmici e polvere, che fanno sempre parte del mezzo interstellare, siano rispettivamente la causa principale dell'emissione gamma e infrarossa.