A. Grafico che mostra la sequenza evolutiva delle galassie nel corso dei 13 miliardi di anni di vita dell’universo, sovrapposta ad una immagine radio del campo extra-galattico Lockman Hole prodotto con LOFAR a 150 MHz.
Un obiettivo chiave dell’astronomia moderna è comprendere la formazione e l’evoluzione delle galassie. Nonostante le numerose campagne osservative (surveys) effettuate fino ad oggi, molte domande rimangono senza risposta riguardo ai fattori che maggiormente influiscono sulla formazione di stelle e buchi neri al variare del tempo, e al ruolo delle fusioni o dei processi evolutivi di carattere secolare. Una delle questioni aperte più interessanti riguarda l’interazione reciproca tra galassie e buchi neri supermassicci (SMBH) e la loro possibile coevoluzione. L’IRA ha una lunga tradizione nella realizzazione di surveys in banda radio sin dal lavoro pionieristico svolto con l’interferometro Croce del Nord all’inizio degli anni ’70. Sulla base di questa consolidata esperienza, gli studi sull’evoluzione delle galassie all’IRA sono condotti principalmente attraverso surveys extragalattiche profonde di vaste aree di cielo, condotte utilizzando i radiotelescopi più moderni (JVLA, eMERLIN, ATCA-CABB, LOFAR, GMRT) e i precursori di SKA (ASKAP, MeerKAT) in sinergia con surveys ad altre lunghezze d’onda.
Staff di ricerca: R. Baldi, M. Bondi, V. Casasola, K.-H. Mack, M. Massardi, I. Prandoni, A. Zanichelli
Collaboratori: M. Bonato, M. Brienza, Q. D’Amato, L. Gregorini, D. Guidetti, P. Parma, R. Ricci
Evoluzione delle galassie e AGN
B. Conteggi differenziali normalizzati a 1.4 GHz di varie popolazioni di sorgenti rispetto ai modelli. Confronto tra la recente modellizzazione di Mancuso et al. (2017) e il dataset VLA-COSMOS 3 GHz Large Project (Smolcic et al. 2017)
Le survey radio extragalattiche si stanno affermando come strumento molto promettente per studi di formazione ed evoluzione di galassie e SMBH. Le immagini radio più profonde sono infatti sensibili alle galassie che formano stelle e agli AGN a bassa potenza (radio-quieti, RQ AGN) a redshift z∼2-3. Con l’avvento di LOFAR, ASKAP e MeerKAT, è possibile esplorare volumi più grandi dell’Universo così da poter studiare il ruolo dell’ambiente nel guidare la crescita di galassie e SMBH e tracciare meglio le popolazioni rare come le radiogalassie ad alto redshift. Queste ultime possono essere utilizzate per studiare l’insorgenza del fenomeno degli AGN radio-emittenti all’epoca della formazione dei primi AGN (z> 7). Da molti anni IRA è coinvolto in surveys radio profonde dei principali campi extragalattici cosmologici (COSMOS, Lockman Hole, GOODS-N, etc.) Inoltre, partecipa con ruoli di primo piano alle survey internazionali condotte utilizzando i telescopi precursori di SKA. L’IRA è anche attivamente coinvolo nell’analisi multi-banda di questi dati (radio, IR, sub-mm, ottica, raggi X). Gli astronomi dell’IRA contribuiscono inoltre allo sviluppo di nuovi modelli in grado di spiegare le osservazioni radio e IR di galassie e AGN. Tali modelli vengono utilizzati per simulare le osservazioni con futuri telescopi come SKA, l’Origins Space Telescope e il telescopio spaziale James Webb.
Proprieta’ fisiche di AGN di bassa potenza
C. Evoluzione della dimensione delle galassie nel campione VLA-COSMOS 3 GHz al variare del tempo
Gli AGN di bassa potenza che si osservano nelle survey radio più profonde raramente mostrano i lobi e i getti radio su larga scala tipici delle radio galassie; viceversa hanno morfologia radio compatta: non si estendono, cioè, oltre le dimensioni della galassia ospite. L’IRA è coinvolta in una serie di studi volti a far luce sulle proprietà fisiche di questa peculiare popolazione di AGN, studi che hanno implicazioni sui meccanismi di feedback all’opera in tali sistemi e sul ruolo da essi svolto nell’evoluzione delle galassie. Osservazioni radio a più frequenze mostrano che gli AGN radio di bassa potenza ospitati da galassie ‘rosse’ passive hanno tipicamente spettri radio piatti. Ciò suggerisce che si tratti di versioni su piccola scala e di bassa potenza delle radio galassie classiche dominate dal nucleo. Gli AGN di bassa potenza ospitati da galassie ‘attive’ (collettivamente definiti AGN radio-quieti) hanno invece spettri radio ripidi e si pensa che la loro emissione radio sia originata dalla formazione di stelle nella galassia ospite. Osservazioni VLBI e studi statistici multi-banda mostrano però che almeno una frazione degli AGN radio-quieti è dominata da attività nucleare anche nella banda radio. Lo scenario più accreditato attualmente è che essi siano sistemi compositi in cui l’emissione radio originata da formazione stellare può coesistere con quella originata dall’attività nucleare, su un ampio intervallo di contributi relativi.
Il ruolo dell’attività nucleare nell’evoluzione delle galassie
D. Immagine della galassia con lente forte SDP.9 a z ~ 1.6 ottenuta con il telescopio ALMA a 1.3 mm
Per comprendere appieno il processo di formazione ed evoluzione delle galassie è indispensabile identificare e quantificare il ruolo del cosiddetto AGN feedback, ossia il ruolo che i buchi neri al centro delle galassie hanno nel regolare la formazione stellare nelle galassie stesse. L’IRA è coinvolto in studi che mirano ad una migliore comprensione della relazione tra formazione stellare e accrescimento di buchi neri all’epoca in cui entrambi i processi hanno avuto il loro picco di attività (redshift z~1-3). Sorgenti molto distanti possono essere osservate con risoluzione spaziale inferiore al secondo d’arco, utilizzando la tecnica VLBI a frequenze radio dell’ordine del GHz, oppure con il telescopio ALMA nel regime (sub-)millimetrico (>100 GHz): le strutture delle galassie possono essere risolte e misurate, e l’interazione tra attività nucleare e formazione stellare può essere osservata direttamente. La grande sensibilità e la lunghezza (>100 km) delle linee di base dell’interferometro e-MERLIN vengono sfruttate per ottenere immagini ad alta definizione delle regioni più interne delle galassie ad alto redshift, per un numero statisticamente significativo di oggetti.
Crediti
Figura A: Credits LoTSS collaboration; NASA, ESA, S. Toft (Niels Bohr Institute), and A. Feild (STScI)
Figura B: Prandoni 2018, IAUS, 333, 175, “EoR Foregrounds: the Faint Extragalactic Radio Sky”, Figura 2. DOI: 10.1017/S174392131800073X (riprodotto con il permesso del Licenziante tramite PLSclear)
Figura C: Bondi et al. 2018, A&A 618, L8, “Linear radio size evolution of μJy populations”, Figura 1. DOI: 10.1051/0004-6361/201834243
Figura D: Massardi et al. 2018, A&A 610, A53, “Chandra and ALMA observations of the nuclear activity in two strongly lensed star-forming galaxies”, Figura 2. DOI: 10.1051/0004-6361/201731751