Academic literature on the topic 'Ammassi galassie galaxy cluster'

Gli ammassi di galassie sono i sistemi gravitazionalmente legati più grandi che si possano studiare in astrofisica. Essi giocano un ruolo fondamentale nella cosmologia essendo, di fatti, i luoghi di maggiore concentrazione di materia, sia barionica che oscura. Quest’ultima può essere studiata a fondo negli ammassi, nei quali rappresenta l’80% della massa totale e produce le lenti gravitazionali più grandi che esistono. Poiché ospitano decine, a volte centinaia di galassie, offrono l’ambiente perfetto per indagare la dinamica e l’evoluzione di questi sistemi, nonché il modo in cui questi interagiscono con un mezzo nel quale sono immersi, il mezzo intra-cluster, il quale determina alcune caratteristiche peculiari nell’emissione e nella struttura di questi giganteschi oggetti.

In questa tesi di laurea triennale vengono esposte le conoscenze fondamentali che descrivono gli ammassi di galassie. I galaxy clusters sono strutture gravitazionalmente legate composte di galassie, gas denominato ICM (Intra Cluster Medium) e materia oscura. Queste 3 diverse componenti sono responsabili rispettivamente del 5%, 15% e 80% circa della massa totale dell’ammasso; per la maggior parte degli ammassi la massa totale è 10^{14-15} masse solari. Nella prima parte della tesi si illustrano brevemente queste 3 componenti e le si inquadrano nelle diverse classificazioni morfologiche degli ammassi. Nella seconda parte ho passato in rassegna alcune delle funzioni più importanti per descrivere un ammasso di galassie. Nella terza ed ultima parte sono esposti i principali meccanismi grazie ai quali conosciamo gli ammassi di galassie.

Questo lavoro di tesi è il primo studio X-ray dedicato all’ammasso di galassie Abell 795 (z ∼ 0.137). L’analisi è stata svolta con l’obiettivo di descrivere accuratamente le proprietà dell’emissione X di A795, e di mettere in relazione le proprietà dell’ICM con le caratteristiche della BCG, una radio galassia compatta di tipo FR0, per capire se l’ambiente può impedire la formazione di una morfologia radio estesa. Abbiamo esaminato un’osservazione di archivio non ancora pubblicata del telescopio Chandra (esposizione di 29.7 ks), compiendo un’analisi dettagliata sia dell’ammasso che della sorgente centrale. Sono state misurate le proprietà complessive di A795: i risultati suggeriscono che questo sistema ha un weakly cool core, e che sono presenti perturbazioni dinamiche. In particolare, l’analisi morfologica ha rivelato un complesso ambiente centrale: abbiamo scoperto una spirale dovuta allo sloshing che si estende fino a ≈180 kpc in direzione nord-ovest dal centro dell’ammasso; lungo la spirale sono presenti due cold fronts a una distanza di ∼60 kpc e ∼178 kpc dal picco X. Abbiamo investigato l’effetto dello sloshing sul raffreddamento dell’ICM, ed è stata prodotta una stima del tempo scala che regola l’oscillazione del gas nella buca di potenziale dell’ammasso. Inoltre, la ricerca di dati radio d’archivio ci ha permesso di evidenziare la presenza di emissione radio diffusa, coincidente con la regione di sloshing: sono state descritte le proprietà di questa sorgente estesa, che abbiamo tentato di classificare come ”mini alone”. L’analisi dell’emissione X della FR0 centrale suggerisce che, almeno in questo caso, l’ambiente non è il principale responsabile della mancanza di emissione radio estesa, non possedendo una densità tale da giustificare una prematura distruzione dei getti. Infine, lo studio dell’ICM ha portato alla scoperta di due depressioni nell’emissione X, che sono state analizzate per capire se una FR0 può effettivamente scavare cavità.

L'obiettivo della Tesi è lo studio del moto dell’ICM in rotazione in ammassi e fare dei test osservativi per i futuri telescopi in banda X, come ATHENA. Nel lavoro realizzato da Bianconi (2013) studiarono la rotazione del gas in ammassi con un potenziale sferico di NFW utilizzando profili di velocità, valutandone gli effetti sull’ellitticità delle isofote X; nella seconda parte il lavoro si focalizzò nello studio di spettri simulati utilizzando le specifiche del calorimetro di Astro-H. Utilizzando il metodo presentato da Ciotti and Bertin abbiamo espanso il potenziale gravitazionale in forma ellissoidale.Abbiamo assunto uno schiacciamento del potenziale di ∼0.4. Abbiamo ricreato potenziali oblati e prolati per verificare come le diverse geometrie avessero effetti sugli osservabili dell’ICM.In particolare abbiamo considerato aloni di dark matter assialsimmetrici con un profilo di NFW e con un rapporto assiale di ∼0.6 e abbiamo confrontato lo schiacciamento delle isofote con i risultati di Lau (2012). Abbiamo misurato uno schiacciamento medio di ~0.13 per quanto riguarda i modelli non rotanti e di ~0.16 per quanto concerne i modelli rotanti, sia nel caso oblato che prolato. L’ultima parte del lavoro presenta uno studio degli spettri X simulati a diversi raggi dal centro degli ammassi dopo che si è convoluta la brillanza con la risposta strumentale dello spettrometro X-IFU di ATHENA per misurare il moto coerente del gas. Abbiamo misurato uno spostamento Doppler della riga a 6.7 keV dell’ordine di ∼5 eV, corrispondente ad una velocità di ~1000 km/s, per i modelli oblati.Nei modelli prolati invece abbiamo trovato uno spostamento del centroide di ∼15 eV, consistente con una velocità superiore a 2400 km/s. Dopo aver valutato lo spostamento della riga abbiamo analizzato l’allargamento dovuto alla dispersione di velocità. Abbiamo quindi trovato che nelle regioni interne si raggiunge un allargamento di 1000 km/s per i modelli prolati mentre per gli oblati di ~300 km/s.

Gli ammassi di galassie (galaxy clusters) sono aggregati di galassie legate dalla forza di attrazione gravitazionale. Essi sono le più grandi strutture virializzate dell’Universo e la loro luminosità è dovuta alle galassie che li compongono e al cosiddetto intracluster medium (ICM), gas intergalattico in grado di raggiungere temperature di milioni di gradi. L’ICM è caratterizzato da emissioni sia di tipo termico che non termico, rispettivamente nella banda X e nella banda Radio, dovute soprattutto al meccanismo di bremsstrahlung termica e all’emissione di sincrotrone. Lo studio delle radiazioni emesse da questo gas primordiale ha permesso di studiare alcuni processi caratteristici nella dinamica degli ammassi di galassie, come i fenomeni di merger e cooling flow , e di ottenere quindi una maggiore comprensione della formazione ed evoluzione degli ammassi. Essendo le più grandi strutture dell’Universo che abbiano raggiunto l’equilibrio viriale, il loro studio risulta infatti molto importante, in quanto fornisce un valido strumento per la formulazione di un Modello Cosmologico. Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste in particolare nell'analisi di Aloni e Relitti radio, con maggiore approfondimento sui primi, e sulla ricerca di una correlazione della potenza Radio dei clusters sia con la loro luminosità nella banda X, che con la loro dimensione spaziale. La raccolta e l’elaborazione dei dati è stata svolta presso l’osservatorio di radioastronomia (ORA) situato nel CNR di Bologna.

La disponibilità di osservazioni profonde di ammassi di galassie, ottenute con telescopi spaziali, ha permesso la scoperta di diversi casi di lensing forte che coinvolgono una galassia d'ammasso e una sorgente retrostante (eventi di galaxy-galaxy strong lensing, GGSL). Ciononostante, questo tipo di eventi sembra essere molto raro nelle più recenti simulazioni idrodinamiche di ammassi di galassie. Questo apparente contrasto fra teoria e osservazioni è uno dei motivi che ci hanno spinto ad indagare sulla fenomenologia degli eventi di GGSL negli ammassi di galassie. Inoltre, lo studio delle sottostrutture presenti negli ammassi è di fondamentale importanza per vincolare le proprietà della materia oscura. In particolare, nella presente tesi abbiamo cercato di verificare la possibile esistenza di un collegamento fra le proprietà fisiche degli ammassi di galassie e la probabilità di osservare eventi di GGSL. Abbiamo quantificato questa probabilità definendo la sezione d'urto per il GGSL. Nel corso del lavoro sono state impiegate simulazioni numeriche di lensing da ammassi di galassie, le cui proprietà rispettano le predizioni del modello cosmologico Lambda-CDM. Nel corso della tesi abbiamo messo in luce come alcune proprietà degli ammassi, quali la pendenza del loro profilo di densità, la funzione di distribuzione radiale e la funzione di massa delle sottostrutture influenzino la sezione d'urto. Questi risultati sono stati confermati quando abbiamo applicato la nostra procedura all'ammasso MACSJ1149. Inoltre, grazie al nostro metodo, abbiamo potuto saggiare la validità di due modelli di massa, ottenuti da un'analisi di lensing forte degli ammassi MACSJ1149 e MACSJ1206, confrontando il numero di eventi di GGSL predetti dai modelli con quelli effettivamente osservati.

Gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture dell’Universo che hanno raggiunto l'equilibrio viriale. Essi sono il risultato dell'aggregazione gravitazionale di galassie e sono costituiti oltre che da materia luminosa, anche da un gas caldo detto intracluster medium(ICM) e da materia oscura(circa l'80% del totale). L’ICM è caratterizzato da emissioni sia di tipo termico che non termico, rispettivamente nella banda X e nella banda Radio, dovute soprattutto al meccanismo di bremsstrahlung termica e all’emissione di sincrotrone. Lo studio delle radiazioni emesse da questo gas ha portato alla comprensione di alcuni processi caratteristici nella dinamica degli ammassi di galassie, quali i fenomeni di merger e cooling flow, consentendo così una migliore descrizione della dinamica e dell'evoluzione degli ammassi. In questa tesi si pone l'attenzione sulle sorgenti radio diffuse, in particolare sugli aloni e i relitti radio, al fine di analizzare possibili correlazioni tra Potenza radio-Luminosità X, Potenza Radio-LLL e valutare una possibile dipendenza dell'indice spettrale caratteristico della radiazione di sincrotrone dalla temperatura. La ricerca relativa agli ammassi di galassie risulta importante in quanto, trattandosi delle più grandi strutture dell’Universo che abbiano raggiunto l’equilibrio viriale, il loro studio costituisce un valido strumento per la verifica dell’attuale Modello Cosmologico.

In questo lavoro di tesi verrà affrontato uno studio sugli ammassi di galassie che costituiscono le strutture virializzate più grandi dell’Universo. L’analisi delle emissioni provenienti dall’ICM (Intracluster Medium) consente di ottenere informazioni su alcuni dei processi che caratterizzano la dinamica degli ammassi di galassie, come merger e cooling flow, e in particolare di testare le attuali ipotesi sulla formazione ed evoluzione degli ammassi. Le radiazioni provenienti dal gas extragalattico possono essere sia di tipo termico che non termico: le prime causate dal meccanismo di Bremsstrahlung termica e appartenenti alla banda X, le seconde invece dovute prevalentemente dall’emissione di Sincrotrone in banda Radio. Durante lo studio degli ammassi di galassie verranno approfondite le principali radiosorgenti diffuse: Aloni, mini-Aloni e Relitti, focalizzando lo studio su questi ultimi e analizzando un campione di dati ad essi relativi, con lo scopo di trovare un’eventuale correlazione tra alcune delle loro proprietà. La ricerca sugli ammassi di galassie risulta importante in quanto, trattandosi delle più grandi strutture dell’Universo che abbiano raggiunto l’equilibrio viriale, il loro studio risulta un valido strumento per la verifica dell’attuale Modello Cosmologico.

Osservazioni X e Radio di ammassi di galassie dimostrano che nel mezzo intracluster coesistono componenti termiche e non termiche. Mentre le osservazioni X rivelano l'emissione termica da gas caldo diffuso, le osservazioni radio di un numero crescente di galaxy cluster massivi, hanno svelato la presenza di particelle ultrarelativistiche e campi magnetici, attraverso il rilevamento di emissione radio diffusa di sincrotrone: radio halos (RHs) e relitti. I RHs sono sorgenti radio giganti (~1Mpc) localizzate nelle regioni centrali dell’ammasso, con estensione spaziale simile a quella dell’hot ICM. In letteratura ci sono evidenze collettive che i RHs si trovano in ammassi sottoposti a fenomeni di Merger, questa connessione suggerisce che i processi gravitazionali di formazione degli ammassi potrebbero fornire l’energia per generare le componenti non termiche nei cluster. In questa tesi, per testare quantitativamente la connessione RH-merger, sono state svolte analisi statistiche basate su osservazioni radio e X, in particolare è stata indagata una correlazione, proposta nel 1999 da Colafrancesco, fra la temperatura kTX e P1.4GHz, ma non è stata trovata nessuna correlazione significativa kTX-P1.4GHz in un campione di 60 ammassi. Ulteriori indagini sono quindi state svolte sugli indici spettrali α dei RHs, che meglio di P1.4GHz sono evidenza di accelerazione elettronica (e/o compressione di campo magnetico): le analisi sono state condotte su 54 valori di α. Oltre alle analisi statistiche è stato svolto un approfondimento sul calcolo dell’indice spettrale di A1914, per quale è stato osservato uno steepening dello spettro a 98 MHz: α(<98MHz)=1.41 e α(>98MHz)=2.09. Riportiamo inoltre uno studio osservativo a 1.5GHz (dati JVLA) per gli ammassi MACS J0417, con RH noto in letteratura per il quale è stato calcolato un valore di indice spettrale α=0.98, e MACS J0647, che presenta 2 sorgenti radio con proprietà morfologiche tali da essere candidate come alone e relitto.