Formazione stellare cosmica ed evoluzione fotometrica delle galassie in modelli cosmologici non standard

L'avvento di strumenti di osservazione sempre più potenti ha permesso negli ultimi decenni di studiare a fondo gli oggetti che compongono l'universo nonchè di giungere a stabilirne una possibile geometria. Se da un lato i dati di WMAP supportano un determinato scenario ``di consenso'', questo non esclude, tuttavia che anche altre possibili soluzioni cosmologiche possano entrare in gioco una volta che una o più delle assunzioni portanti del modello ΛCDM vengano aggiornate o risultino, alla prova di nuovi fatti, inconsistenti. Ecco quindi che può essere interessante investigare quali implicazioni possano nascere da una scelta diversa del modello. Prenderemo in considerazione cinque modelli: oltre al modello di consenso (ΛCDM), valuteremo anche tre casi limite nel contesto della metrica di Friedmann. Dedicheremo particolare attenzione, infine, al modello dello Stato Stazionario. Studieremo, al variare di questi scenari, la formazione stellare cosmica e con l'utilizzo dei modelli di SSP di Buzzoni (2005) otterremo le proprietà fotometriche di una meta galassia, le quali verranno confrontate con osservazioni recenti (e.g. Madgwick et al. 2002).

L'evoluzione della funzione di massa stellare delle galassie: un test per i modelli della loro formazione

Per lo sviluppo di un modello realistico di formazione ed evoluzione delle galassie è necessario un confronto sistematico con le osservazioni in modo da verificare che i dati vengano ben riprodotti. Lo scopo che si prefigge questo lavoro di Tesi è un confronto tra le caratteristiche delle galassie presenti nei cataloghi simulati (mock), costruiti sulla base di alcuni modelli, e quelle evinte dai dati osservativi di campioni di galassie (surveys) con l'obbiettivo di far luce su quali siano le maggiori discrepanze e quindi sulla direzione in cui i modelli andrebbero perfezionati. Per far questo, si è scelto di far uso della funzione di massa stellare delle galassie (MF), in quanto strumento statistico più indicativo di una popolazione di galassie, considerando sia la totalità delle galassie, sia separatamente le star-forming e le quiescenti. Questo lavoro di Tesi attua un confronto tra le MF a 0modelli teorici, per capire a quali redshift, a quali masse e per quali sottocampioni di galassie la riproduzione dei dati avviene in maniera migliore e dove invece risiedono i maggiori problemi. Si vede come le funzioni di massa cambino al variare del tasso di formazione stellare nei modelli e le differenze che vi sono nella loro distribuzione in base a colore e SFR. Infine si studia come varia col redshift la densità numerica delle galassie quiescenti osservate e teoriche di diversa massa. Anche questo tipo di confronto ha come scopo quello di sondare le differenze tra modelli ed osservazioni su quali siano le modalità e le tempistiche di evoluzione delle galassie a seconda della loro massa e su cosa sia quello che, dai modelli, costruiti sulla base dei processi fisici che conosciamo, non riesce ancora ad essere riprodotto.

Formazione delle galassie e cenni sulla loro evoluzione

In questa tesi si vuole fornire una panoramica generale dei processi di formazione delle galassie, con l'aggiunta di alcuni cenni sulla loro evoluzione. Nel primo capitolo si danno alcune informazioni sulla natura di questi oggetti e su come è stata scoperta la loro esistenza. Poi, utilizzando le premesse di cui al capitolo 2, nel capitolo 3 si passa alla spiegazione della loro formazione a partire dagli eventi successivi al Big Bang, di cui si fornisce una breve cronologia. Nel capitolo 4 si dà una panoramica della formazione degli ammassi di galassie e si discute di alcune osservazioni compiute su di essi, per concludere con considerazioni sul loro futuro. Infine, nell'ultimo capitolo ci si concentra sull'evoluzione delle galassie, in particolare sui processi di merging e sulle collisioni.

Formazione delle galassie

Al fine di introdurre la formazione delle galassie, si presenteranno di seguito le principali caratteristiche delle strutture early-type e late-type, per poter giungere a una classificazione morfologica che evidenzi gli elementi comuni tra tali famiglie di galassie. Si tratterà l’argomento nel contesto cosmologico offerto dal modello ΛCDM, introducendo gli aloni di materia oscura, il gas pregalattico e la formazione stellare come gli elementi necessari per avviare i processi di formazione galattica. Tali processi verranno analizzati scomponendo la formazione di una galassia nelle sue parti costituenti, come descritte nella classificazione morfologica. In conclusione, si suggeriranno due approcci per ricostruire la formazione ed evoluzione di una galassia e, infine, si accennerà al problema aperto delle galassie nane.

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.

Studio degli indici di Lick come traccianti evolutivi in galassie passive

Le galassie passive sono sistemi dominati da popolazioni stellari vecchie, non mostrano tracce di formazione stellare (spettri compatibili con assenza di righe in emissione e caratterizzati da righe in assorbimento), e ci sono evidenze osservative che indicano che le galassie passive abbiano iniziato ad assemblare la loro massa stellare a z. Gli spettri delle galassie passive conservano traccia dei meccanismi fisici ed evolutivi della loro popolazione stellare. Laddove si hanno a disposizione spettri di buona qualità, ovvero che abbiano un rapporto segnale-rumore elevato, l’informazione contenuta in tali spettri può essere dedotta dalla misura dell’intensità di alcune righe in assorbimento. Burstein et al. (1984) hanno costruito un insieme di indici spettroscopici, chiamato sistema di indici di Lick, i quali misurano l’intensità delle principali righe in assorbimento (nella regione di lunghezze d’onda ottiche tra 4000-6000 Å), in termini di larghezza equivalente. in questa tesi è stato adottato il metodo degli indici di Lick per stimare i parametri evolutivi di un campione di galassie passive. Gli obiettivi principali di questa tesi sono due: 1.) studiare l’evoluzione col redshift dei parametri di età, metallicità totale e abbondanze relative di elementi α rispetto al ferro di un campione di galassie estratto spettroscopicamente dalla SDDS (Moresco et al., 2011). L’obiettivo finale è quello di dedurre informazioni sulla storia di formazione stellare delle galassie del campione. 2.) realizzare una simulazione per valutare la possibilità di misurare gli indici di Lick negli spettri di galassie passive che verranno osservate con la missione futura Euclid. Da questo studio è emerso un chiaro andamento evolutivo del campione in linea con quello previsto dallo scenario evolutivo del mass-downsizing, per il quale la SFH di una popolazione stellare è fortemente vincolata dalla massa della popolazione stessa, nel senso che al crescere della massa la formazione delle galassie passive si colloca in epoche progressivamente più remote, e l’assemblaggio della loro massa stellare avviene in tempi scala via via inferiori. Dalla simulazione è emerso un risultato molto importante che deriva dalla robustezza delle misure del D4000 e riguarda la possibilità di determinare il redshift di galassie a z ≥ 1.5 con Euclid.

Vincoli sulla storia di espansione dell’Universo tramite cronometri cosmici nella survey VANDELS

Nel presente lavoro di tesi viene selezionato e analizzato un campione di galassie passive estratte dalla survey VANDELS, con cui condurre uno studio cosmologico basato sul metodo dei cronometri cosmici. Tale metodo rappresenta una sonda cosmologica non standard, che consente di misurare il parametro di Hubble in maniera indipendente dalla cosmologia valutando l’invecchiamento di una popolazione di galassie molto massive e in evoluzione passiva in un dato intervallo di redshift. Per applicare il metodo viene selezionato un campione di cronometri cosmici incrociando diversi criteri complementari, sia fotometrici che spettroscopici, tali da minimizzare la contaminazione da formazione stellare attiva. Il campione ottenuto ha ⟨log(M⋆/M⊙)⟩=10.86±0.03, ⟨log(sSFR/yr−1)⟩=-11.9±0.1 e ⟨EW[OII]⟩=3.3±0.2 Å. Dallo studio delle proprietà spettroscopiche, in particolare degli indici sensibili all’età, esso mostra un progressivo invecchiamento al diminuire del redshift ed evidenza di mass-downsizing. Per la stima delle età si adotta la tecnica del full-spectral fitting, sia sugli spettri che sulla fotometria disponibili, utilizzando il codice Bagpipes. Dai risultati del fit emerge che le galassie individuate hanno, come atteso, metallicità mediamente sotto-solari (⟨Z/Z⊙⟩=0.44±0.01), bassa estinzione da polvere (⟨AV,dust⟩=0.43±0.02 mag) e una fase di formazione stellare breve (⟨τ⟩=0.28±0.02 Gyr). A partire da questi viene costruita la relazione età-redshift mediana per il campione finale di 39 galassie, esplorandone la robustezza con diverse assunzioni di prior e binnaggio. Fittata con un modello fΛCDM, essa permette di ricavare una stima per la costante di Hubble pari a H0 = 67^+14_−15 km/s/Mpc. Infine, con la stessa relazione si applica il metodo dei cronometri cosmici, ottenendo una nuova stima del parametro di Hubble, H(z=1.26) = 135±62 km/s/Mpc. Nell’errore si è tenuto conto anche degli effetti sistematici introdotti dalla scelta del binning e della SFH nel modello di fit.

Clustering di ammassi di galassie con cataloghi otticamente selezionati

In questo lavoro di tesi si è studiato il clustering degli ammassi di galassie e la determinazione della posizione del picco BAO per ottenere vincoli sui parametri cosmologici. A tale scopo si è implementato un codice per la stima dell'errore tramite i metodi di jackknife e bootstrap. La misura del picco BAO confrontata con i modelli cosmologici, grazie all'errore stimato molto piccolo, è risultato in accordo con il modelli LambdaCDM, e permette di ottenere vincoli su alcuni parametri dei modelli cosmologici.

Vincoli cosmologici da supernovae ad alto redshift

Le SNe Ia vengono utilizzate in cosmologia come indicatori di distanza. Nel 1998 due team di ricerca, il Supernova Cosmology Project e l'High-z Supernova Search Team compirono degli studi su un campione di SNe in galassie lontane a z=0.2-0.9. Da questi lavori emerse che le luminosità apparenti erano tipicamente inferiori del 25% rispetto ai valori attesi. Questo indica che tali oggetti si trovano ad una distanza di luminosità superiore a quella prevista da modelli d'Universo dominati da materia. Venne quindi determinata per la prima volta l'evidenza di un Universo in condizione di espansione accelerata. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di analizzare i vincoli cosmologici imposti da SNe Ia ad alto redshift. È stato compiuto uno studio sui moduli di distanza osservativi di un campione di 580 SNe Ia al fine di trovare i parametri cosmologici che meglio descrivono il loro andamento in funzione del redshift nell'ambito dei modelli cosmologici standard con costante cosmologica positiva. Nella prima parte si illustreranno i modelli d’Universo di Friedmann, introducendo i concetti di redshift, di fattore di scala e i vari tipi di distanza. Nella seconda parte si descriverà cosa sono le Supernovae, e in particolare, le SNe di tipo Ia, le proprietà che le rendono candele standard e l'importanza che hanno assunto in cosmologia. Nella terza parte verranno presentanti i risultati prodotti per i due modelli studiati, verrà inoltre discussa la compatibilità con i parametri prodotti nei lavori compiuti dai due team di ricerca.

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.

Dispersive wave solutions of the klein-gordon equation in cosmology

L'equazione di Klein-Gordon descrive una ampia varietà di fenomeni fisici come la propagazione delle onde in Meccanica dei Continui ed il comportamento delle particelle spinless in Meccanica Quantistica Relativistica. Recentemente, la forma dissipativa di questa equazione si è rivelata essere una legge di evoluzione fondamentale in alcuni modelli cosmologici, in particolare nell'ambito dei cosiddetti modelli di k-inflazione in presenza di campi tachionici. L'obiettivo di questo lavoro consiste nell'analizzare gli effetti del parametro dissipativo sulla dispersione nelle soluzioni dell'equazione d'onda. Saranno inoltre studiati alcuni tipici problemi al contorno di particolare interesse cosmologico per mezzo di grafici corrispondenti alle soluzioni fondamentali (Funzioni di Green).

Zoomed simulations of Halo segregation in cosmological models with two species of coupled dark matter

La materia ordinaria copre soli pochi punti percentuali della massa-energia totale dell'Universo, che è invece largamente dominata da componenti “oscure”. Il modello standard usato per descriverle è il modello LambdaCDM. Nonostante esso sembri consistente con la maggior parte dei dati attualmente disponibili, presenta alcuni problemi fondamentali che ad oggi restano irrisolti, lasciando spazio per lo studio di modelli cosmologici alternativi. Questa Tesi mira a studiare un modello proposto recentemente, chiamato “Multi-coupled Dark Energy” (McDE), che presenta interazioni modificate rispetto al modello LambdaCDM. In particolare, la Materia Oscura è composta da due diversi tipi di particelle con accoppiamento opposto rispetto ad un campo scalare responsabile dell'Energia Oscura. L'evoluzione del background e delle perturbazioni lineari risultano essere indistinguibili da quelle del modello LambdaCDM. In questa Tesi viene presentata per la prima volta una serie di simulazioni numeriche “zoomed”. Esse presentano diverse regioni con risoluzione differente, centrate su un singolo ammasso di interesse, che permettono di studiare in dettaglio una singola struttura senza aumentare eccessivamente il tempo di calcolo necessario. Un codice chiamato ZInCo, da me appositamente sviluppato per questa Tesi, viene anch'esso presentato per la prima volta. Il codice produce condizioni iniziali adatte a simulazioni cosmologiche, con differenti regioni di risoluzione, indipendenti dal modello cosmologico scelto e che preservano tutte le caratteristiche dello spettro di potenza imposto su di esse. Il codice ZInCo è stato usato per produrre condizioni iniziali per una serie di simulazioni numeriche del modello McDE, le quali per la prima volta mostrano, grazie all'alta risoluzione raggiunta, che l'effetto di segregazione degli ammassi avviene significativamente prima di quanto stimato in precedenza. Inoltre, i profili radiale di densità ottenuti mostrano un appiattimento centrale nelle fasi iniziali della segregazione. Quest'ultimo effetto potrebbe aiutare a risolvere il problema “cusp-core” del modello LambdaCDM e porre limiti ai valori dell'accoppiamento possibili.

Classificazione delle galassie: caratteristiche morfologiche, fotometriche e cinematiche

Questo elaborato scritto tratta la classificazione e la modellizzazione della fisica delle galassie. La prima parte illustra la classificazione morfologica delle galassie. Descrivo la classificazione di Hubble perché è la prima in ordine cronologico, la più semplice e la più importante. In seguito espongo le modifiche introdotte da Sandage e De Vaucouleurs. In particolare cerco di giustificare l’importanza delle classificazioni morfologiche come punto di partenza per una comprensione e una modellizzazione della fisica delle galassie. Nella seconda parte mi concentro sulle caratteristiche fotometriche e cinematiche interne relative a due particolari tipi di galassie: le Ellittiche e le Spirali. Approfondisco due argomenti in particolare: i profili di brillanza delle Ellittiche per quanto riguarda le caratteristiche fotometriche delle Ellittiche e le curve di rotazione delle Spirali, per le caratteristiche cinematiche delle Spirali. Questi due argomenti sono stati scelti perché il primo fornisce un modello analitico per descrivere la luminosità delle Ellittiche e il secondo permette di rappresentare, sempre tramite una modellizzazione, la cinematica delle Spirali, in particolar modo del loro disco.

Teorema del Viriale

In questo elaborato si presenta il teorema del viriale, introdotto per la prima volta da R. J. E. Clausius nel 1870. É una relazione fra energia cinetica e poteziale totali di un sistema che, se soddisfatta, implica che questo sia in equilibrio. Sono equivalenti le affermazioni: "sistema virializzato" e "sistema in equilibrio". Sebbene in ordine cronologico la prima formulazione del teorema sia stata quella in forma scalare, ricaveremo, per maggiore generalità, la forma tensoriale, dalla quale estrarremo quella scalare come caso particolare. Sono di nostro interesse i sistemi astrofisici dinamici autogravitanti costituiti da N particelle (intese come stelle, gas etc.), perciò la trattazione teorica è dedotta per tali configurazioni. In seguito ci concentreremo su alcune applicazioni astrofisiche. In primo luogo analizzeremo sistemi autogravitanti, per cui l'unica energia potenziale in gioco è quella dovuta a campi gravitazionali. Sarà quindi ricavato il limite di Jeans per l'instabilità gravitazionale, con conseguente descrizione del processo di formazione stellare, la stima della quantità di materia oscura in questi sistemi e il motivo dello schiacciamento delle galassie ellittiche. Successivamente introdurremo nell'energia potenziale un termine dovuto al campo magnetico, seguendo il lavoro di Fermi e Chandrasekhar, andando a vedere come si modifica il teorema e quali sono le implicazioni nella stabilità delle strutture stellari. Per motivi di spazio, queste trattazioni saranno presentate in termini generali e con approssimazioni, non potendo approfondire casi più specifici.

L'atomo di idrogeno: righe, serie e sua importanza in astrofisica

L'atomo di idrogeno è il più leggero ed abbondante dell'universo. Esiste sotto forma di molecola H2, ionizzato e neutro: di seguito si analizzeranno le principali caratteristiche di queste tre fasi e si sottolineeranno i criteri ambientali che determinano la presenza di idrogeno in una o nell'altra fase e in particolare a quali processi radiattivi corrispondono. Si accenna inoltre al ruolo fondamentale che esso svolge in alcuni ambiti della ricerca astrofisica come la determinazione della curva di rotazione delle galassie a spirale o l'osservazione di regioni di formazione stellare. L'elaborato si apre con una panoramica sulla trattazione quantistica dell'atomo di idrogeno. Si parlerà delle sue autofunzioni e dei livelli energetici relativi, delle regole di selezione tra gli stati e in particolare degli effetti di struttura iperfine che portano alla formazione della riga a 21 cm, potentissimo mezzo di indagine in nostro possesso. Si aggiunge infine una breve trattazione su come l'idrogeno funga da carburante per la vita delle stelle.