Proprietà radio dei blazar e loro uso nell'identificazione di sorgenti gamma extragalattiche

L'identificazione di un blazar è molto difficile, questo è un oggetto molto particolare e che ha un'attività molto ricca. Nella pratica l'identificazione di un blazar avviene confrontando la sua emissione in banda radio con la sua emissione in banda gamma, che sono entrambe proprie dei blazar. Il problema è che non si dispone di un telescopio in grado di rivelare con estrema precisione entrambe le bande, quindi si procede utilizzando i dati radio provenienti da un dato radiotelescopio e i dati in banda gamma provenienti da un altro telescopio. Quando le emissioni nelle due bande presentano, ad esempio, una variabilità simultanea, l'identificazione è certa. Ma questa minoranza di casi non è molto frequente e quindi spesso si procede con un'analisi probabilistica basata sulle posizioni delle sorgenti. Il lancio di Fermi nel 2008 ha portato ad un fortissimo aumento del numero di sorgenti gamma note e, fra queste, la maggior parte sono blazar. Una significativa frazione di queste sorgenti Fermi (circa il 30%) rimane non identificata. In questo lavoro vengono inizialmente caratterizzate le proprietà radio dei blazar e in particolare dei blazar gamma noti finora. In seguito verrà approfondita l'analisi delle sorgenti Fermi non identificate per stabilire una possibile compatibilità con le proprietà dei blazar e quindi per cercare di capire se queste sorgenti possano essere a loro volta dei blazar non ancora riconosciuti.

Ricerca dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie fri e frii

Lo scenario di unificazione degli AGN caratterizza le molteplici proprietà di questi oggetti in termini del differente angolo di vista rispetto ad un sistema costituito da un toro oscurante, un disco di accrescimento che alimenta il SMBH e nubi di gas che circondano il buco nero. Circa il 10% degli AGN sono forti sorgenti radio. Questi oggetti, detti AGN Radio-Loud, sono caratterizzati da getti relativistici emessi trasversalmente rispetto al disco di accrescimento e comprendono le radio galassie e i blazar. In accordo con il modello unificato, le radio galassie (MAGN), rappresentano i blazar visti a grandi angoli di inclinazione del getto rispetto alla linea di vista. Nei blazar la radiazione emessa dai getti su scale del pc viene amplificata da effetti relativistici dando origine a spettri piatti con elevata polarizzazione ottica e forte variabilità. Questi oggetti rappresentano le sorgenti più brillanti identificate nel cielo gamma extragalattico. I MAGN, a differenza dei blazar, mostrano spettri ripidi e strutture radio quasi simmetriche. In queste sorgenti, l'effetto del Doppler boosting è meno evidente a causa del grande angolo di inclinazione del getto. In soli 3 mesi di osservazioni scientifiche effettuate con il satellite Fermi è stata rivelata emissione gamma da parte delle radio galassie NGC 1275 e Cen A. I MAGN rappresentano una nuova classe di sorgenti gamma. Tuttavia, il numero di radio galassie rivelate è sorprendentemente piccolo ponendo degli interrogativi sui meccanismi di emissione alle alte energie di questi oggetti. Nel presente lavoro di tesi, si analizzeranno i dati gamma raccolti dal LAT durante i primi 5 anni di osservazioni scientifiche per un campione di 10 radio galassie più brillanti selezionate dai cataloghi B2 e BCS. L'obiettivo principale sarà migliorare la statistica e cercare di comprendere la natura dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie.

Radio follow-up of the gamma-ray flaring gravitational lens B0218+357

B0218+357 è un blazar soggetto al lensing che si trova a z=0.944. Questo sistema consiste in due componenti compatte (A e B) e un anello di Einstein. Recentemente è stato associato ad una sorgente gamma soggetta a burst osservata con il satellite Fermi-LAT. Questo blazar ha mostrato una forte variabilità in banda γ da agosto a settembre del 2012. Gli episodi di variabilità osservati hanno consentito di misurare per la prima volta in banda gamma il ritardo temporale previsto dalla teoria del lensing gravitazionale. Le osservazioni in banda gamma sono state seguite da un programma di monitoring con il Very Long Baseline Array (VLBA) in banda radio con lo scopo di verificare l’esistenza di una correlazione tra l’emissione nelle due bande. In questa Tesi tali osservazioni radio sono state analizzate con lo scopo di studiare la variabilità di B0218+357 e, quindi, attestare la connessione tra l’emissione alle alte energie e quella in banda radio. L’obiettivo principale di questo lavoro di Tesi è quello di studiare l’evoluzione della densità di flusso, dell’indice spettrale e della morfologia delle immagini A e B e delle loro sottocomponenti. I dati analizzati sono stati ottenuti con l’interferometro VLBA a tre frequenze di osser- vazione: 2.3, 8.4 GHz (4 epoche con osservazioni simultanee alle due frequenze) e 22 GHz (16 epoche). Le osservazioni hanno coperto un periodo di circa due mesi, subito successivo al flare in banda gamma. La riduzione dei dati è stata effettuata con il pacchetto AIPS. Dall’analisi delle immagini, nella componente B è possibile riconoscere la tipica struttura nucleo-getto chiaramente a tutte e tre le frequenze, invece nella componente A questa struttura è identificabile solo a 22 GHz. A 2.3 e 8.4 GHz la risoluzione non è sufficiente a risolvere nucleo e getto della componente A e l’emissione diffusa risulta dominante. Utilizzando il metodo dello stacking sulle immagini a 2.3 GHz, è stato possibile rivelare le parti più brillanti dell’Einstein ring associato a questa sorgente. Questo è stato possibile poiché la sorgente non ha mostrato alcun segno di variabilità significativa né di struttura né di flusso nelle componenti. Quindi dall’analisi delle curve di luce delle due componenti A e B non è emersa una variabilità significativa chiaramente associabile al flare osservato in banda gamma. Per verificare questo risultato, le curve di luce ottenute sono state confrontate con le osservazioni del radio telescopio OVRO (15 GHz) nel periodo corrispondente alle nostre osservazioni. La curva di luce OVRO è risultata in pieno accordo con le curve di luce ottenute durante questo lavoro di tesi e ha confermato che B0218+257 non ha mostrato un’importante attività radio nel periodo delle osservazioni VLBA. In definitiva, la mancanza di variabilità radio associata a quella osservata nei raggi gamma può essere dovuta al fatto che la regione in cui si è originato il flare gamma è otticamente spessa alle lunghezze d’onda radio, oppure non esiste una precisa correlazione tra le due emissioni, rimanendo quindi un problema aperto da investigare.

The relationship between the radio and gamma-ray emission of blazars

Blazars are active galaxies with a jet closely oriented to our line of sight. They are powerful, variable emitters from radio to gamma-ray wavelengths. Although the general picture of synchrotron emission at low energies and inverse Compton at high energies is well established, important aspects of blazars are not well understood. In particular, the location of the gamma-ray emission region is not clearly established, with some theories favoring a location close to the central engine, while others place it at parsec scales in the radio jet.

We developed a program to locate the gamma-ray emission site in blazars, through the study of correlated variations between their gamma-ray and radio-wave emission. Correlated variations are expected when there is a relation between emission processes at both bands, while delays tell us about the relative location of their energy generation zones. Monitoring at 15 GHz using the Owens Valley Radio Observatory 40 meter telescope started in mid-2007. The program monitors 1593 blazars twice per week, including all blazars detected by the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) north of -20 degrees declination. This program complements the continuous monitoring of gamma-rays by Fermi.

Three year long gamma-ray light curves for bright Fermi blazars are cross-correlated with four years of radio monitoring. The significance of cross-correlation peaks is investigated using simulations that account for the uneven sampling and noise properties of the light curves, which are modeled as red-noise processes with a simple power-law power spectral density. We found that out of 86 sources with high quality data, only three show significant correlations (AO 0235+164, B2 2308+34 and PKS 1502+106). Additionally, we find a significant correlation for Mrk 421 when including the strong gamma-ray/radio flare of late 2012. In all four cases radio variations lag gamma-ray variations, suggesting that the gamma-ray emission originates upstream of the radio emission. For PKS 1502+106 we locate the gamma-ray emission site parsecs away from the central engine, thus disfavoring the model of Blandford and Levinson (1995), while other cases are inconclusive. These findings show that continuous monitoring over long time periods is required to understand the cross-correlation between gamma-ray and radio-wave variability in most blazars.

Caratteristiche principali dell'emissione di galassie a spirale

Lo spazio fra le stelle nelle galassie non è vuoto, ma è composto da gas rarefatto, particelle di polvere, un campo magnetico, elettroni, protoni e altri nuclei atomici relativistici; spesso questi elementi possono essere considerati come un’unica entità di- namica: il mezzo interstellare o più semplicemente ISM. Nel primo capitolo vedremo come il mezzo si distribuisce generalmente all’interno delle galassie a spirale, in fasce di temperatura sempre minore man mano che ci si allontana dal centro (HIM, WIM, WNM, CNM). La conoscenza della distribuzione del mezzo è utile per poter comprendere maggiormente i processi di emissione e le varie zone in cui questi avvengono in una tipica galassia a spirale, che è lo scopo di questa tesi. L’ISM infatti entra in gioco in quasi tutti i processi emissivi, in tutte le bande di emis- sione dello spettro elettromagnetico che andremo ad analizzare. Il nostro modo di vedere le galassie dell’universo è molto cambiato infatti nel corso dell’ultimo secolo: l’utilizzo di nuovi telescopi ci ha permesso di andare ad osservare le galassie anche in bande dello spettro diverse da quella visibile, in modo da raccogliere informazioni impossibili da ottenere con la sola banda ottica. Nel secondo capitolo andremo ad analizzare cinque bande di emissione (banda X, ot- tica, 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 re- gioni più fredde, formate da idrogeno ionizzato, sono responsabili delle righe di emis- sione 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 galas- sia 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 inter- stellare, siano rispettivamente la causa principale dell’emissione gamma e infrarossa.

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.

Quantum wire hybridized with a single-level impurity

We have studied low-temperature properties of interacting electrons in a one-dimensional quantum wire (Luttinger liquid) side-hybridized with a single-level impurity. The hybridization induces a backscattering of electrons in the wire which strongly affects its low-energy properties. Using a one-loop renormalization group approach valid for a weak electron-electron interaction, we have calculated a transmission coefficient through the wire, T(epsilon), and a local density of states, nu(epsilon) at low energies epsilon. In particular, we have found that the antiresonance in T(epsilon) has a generalized Breit-Wigner shape with the effective width Gamma(epsilon) which diverges at the Fermi level.

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).

Very-long-baseline radio interferometry (VLBI) observations of gamma-ray blazars: results from millimeter-VLBI observations.

VLBI observations of the extremely gamma-bright blazar PKS 0528+134 at 8, 22, 43, and 86 GHz reveal a strongly bent one-sided-core jet structure with at least three moving and two apparently stationary jet components. At the highest observing frequencies the brightest and most compact jet component (the VLBI core) is unresolved with an upper limit to its size of approximately 50 microarcsec corresponding to approximately 0.2 parsec [H0 = 100 km.s-1.Mpc-1 (megaparsec-1), q0 = 0.5, where H0 is Hubble constant and q0 is the deceleration parameter]. Two 86-GHz VLBI observations performed in 1993.3 and 1994.0 reveal a new jet component emerging with superluminal speed from the core. Linear back-extrapolation of its motion yields strong evidence that the ejection of this component is related to an outburst in the millimeter regime and a preceding intense flare of the gamma-flux density observed in early 1993. This and the radio/optical "light curves" and VLBI data for two other sources (S5 0836+710 and 3C 454.3) suggest that the observed gamma-radiation might be Doppler-boosted and perhaps is closely related to the physical processes acting near the "base" of the highly relativistic jets observed in quasars.

Starburst in the ultraluminous galaxy Arp 220: Constraints from observations of radio recombination lines and continuum

We present observations of radio recombination lines (RRL) from the starburst galaxy Arp 220 at 8.1 GHz (H92 alpha) and 1.4 GHz (H167 alpha and H165 alpha) and at 84 GHz (H42 alpha), 96 GHz (H40 alpha) and 207 GHz (H31 alpha) using the Very Large Array and the IRAM 30 m telescope, respectively. RRLs were detected at all the frequencies except 1.4 GHz, where a sensitive upper limit was obtained. We also present continuum flux measurements at these frequencies as well as at 327 MHz made with the VLA. The continuum spectrum, which has a spectral index alpha similar to -0.6 (S-nu proportional to nu(alpha)) between 5 and 10 GHz, shows a break near 1.5 GHz, a prominent turnover below 500 MHz, and a flatter spectral index above 50 GHz. We show that a model with three components of ionized gas with different densities and area covering factors can consistently explain both RRL and continuum data. The total mass of ionized gas in the three components is 3.2 x 10(7) M., requiring 3 x 10(5) O5 stars with a total Lyman continuum production rate N-Lyc similar to 1.3 x 10(55) photons s(-1). The ratio of the expected to observed Br alpha and Br gamma fluxes implies a dust extinction A(V) similar to 45 mag. The derived Lyman continuum photon production rate implies a continuous star formation rate (SFR) averaged over the lifetime of OB stars of similar to 240 M yr(-1). The Lyman continuum photon Production rate of similar to 3% associated with the high-density H II regions implies a similar SFR at recent epochs (t < 10(5) yr). An alternative model of high-density gas, which cannot be excluded on the basis of the available data, predicts 10 times higher SFR at recent epochs. If confirmed, this model implies that star formation in Arp 220 consists of multiple starbursts of very high SFR (few times 10(3) M. yr(-1)) and short duration (similar to 10(5) yr). The similarity of IR excess, L-IR/L-Ly alpha similar to 24, in Arp 220 to values observed in starburst galaxies shows that most of the high luminosity of Arp 220 is due to the ongoing starburst rather than to a hidden active galactic nucleus (AGN). A comparison of the IR excesses in Arp 220, the Galaxy, and M33 indicates that the starburst in Arp 220 has an initial mass function that is similar to that in normal galaxies and has a duration longer than 107 yr. If there was no infall of gas during this period, then the star formation efficiency (SFE) in Arp 220 is similar to 50%. The high SFR and SFE in Arp 220 is consistent with their known dependences on mass and density of gas in star-forming regions of normal galaxies.

Deep searches for decametre-wavelength pulsed emission from radio-quiet gamma-ray pulsars

We report the results of extensive follow-up observations of the gamma-ray pulsar J1732-3131, which has recently been detected at decametre wavelengths, and the results of deep searches for the counterparts of nine other radio-quiet gamma-ray pulsars at 34 MHz, using the Gauribidanur radio telescope. No periodic signal from J1732-3131 could be detected above a detection threshold of 8 sigma, even with an effective integration time of more than 40 h. However, the average profile obtained by combining data from several epochs, at a dispersion measure of 15.44 pc cm(-3), is found to be consistent with that from the earlier detection of this pulsar at a confidence level of 99.2 per cent. We present this consistency between the two profiles as evidence that J1732-3131 is a faint radio pulsar with an average flux density of 200-400 mJy at 34 MHz. Despite the extremely bright sky background at such low frequencies, the detection sensitivity of our deep searches is generally comparable to that of higher frequency searches for these pulsars, when scaled using reasonable assumptions about the underlying pulsar spectrum. We provide details of our deep searches, and put stringent upper limits on the decametre-wavelength flux densities of several radio-quiet gamma-ray pulsars.

Low temperature growth of c-axis oriented AlN films on gamma-LiAlO2 by radio frequency magnetron sputtering

Aluminum nitride (AlN) films were prepared on gamma-LiAlO2 substrates by radio frequency (rf) magnetron sputtering. The influence of substrate temperature (T-s) and nitrogen (N-2) concentration on film growth was investigated. The X-ray diffraction (XRD) results reveal that highly c-axis oriented AlN films can be obtained in the temperature range from room temperature (RT) to 300 degrees C. A smoother surface and a crystalline quality decrease with increasing N-2 concentration have been observed by XRD and atomic force microscopy (AFM) for the films deposited at lower substrate temperature. On the contrary, the degradation of the surface smoothness and the higher crystalline quality can be observed for the films deposited at a higher substrate temperature with N-2-rich ambient. The growth mechanism which leads to different crystalline quality of the films is discussed. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Gamma Irradiation and Targeted Radionuclides Enhance the Expression of the Noradrenaline Transporter Transgene Controlled by the Radio-Inducible p21(WAF1/CIP1) Promoter

The use of radiation-inducible promoters to drive transgene expression offers the possibility of temporal and spatial regulation of gene activation. This study assessed the potential of one such promoter element, p21(WAF1/CIP1) (WAF1), to drive expression of the noradrenaline transporter (NAT) gene, which conveys sensitivity to radioiodinated meta-iodobenzylguanidine (MIBG). An expression vector containing NAT under the control of the radiation-inducible WAF1 promoter (pWAF/NAT) was produced. The non-NAT expressing cell lines UVW (glioma) and HCT116 (colorectal cancer) were transfected with this construct to assess radiation-controlled WAF1 activation of the NAT gene. Transfection of UVW and HCT cells with pWAF/NAT conferred upon them the ability to accumulate [(131)I]MIBG, which led to increased sensitivity to the radiopharmaceutical. Pretreatment of transfected cells with ? radiation or the radiopharmaceuticals [(123)I]MIBG or [(131)I]MIBG induced dose- and time-dependent increases in subsequent [(131)I]MIBG uptake and led to enhanced efficacy of [(131)I]MIBG-mediated cell kill. Gene therapy using WAF1-driven expression of NAT has the potential to expand the use of this therapeutic modality to tumors that lack a radio-targetable feature.