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Buchi Neri super-massicci nell’Universo primordiale

Tesi triennali e magistrali

Riferimenti: Alberto Moretti, Alessandro Caccianiga, Luca Ighina
 
Representative image for thesis
Timeline dell’Universo, dal big-bang a oggi: le tesi proposte qui riguardano il periodo indicato dal box rosso [credits: NAOJ].
Uno dei misteri più interessanti nell’astrofisica moderna riguarda l’origine dei buchi neri super-massicci, con masse che possono raggiungere miliardi di volte quella del nostro sole, situati al centro di quasi ogni galassia del nostro Universo. L’ipotesi più accreditata è che questi giganti siano nati relativamente "leggeri" (100-100 000 volte il nostro sole), quando l’Universo aveva circa 1/30 dell’età attuale, e abbiano poi rapidamente accresciuto materia fino a raggiungere le enormi masse osservate oggi.

Per poter verificare questo modello è fondamentale riuscire ad osservare l’Universo primordiale, fino a dove è possibile con gli strumenti attualmente disponibili, cercando di individuare i buchi neri super-massicci in fase di rapido accrescimento (noti come "Quasar") e studiandone poi le proprietà fisiche principali (massa, velocità di accrescimento, presenza di getti relativistici, etc). In questo modo è possibile ricostruire la storia evolutiva di questi oggetti e stabilire in che modo si siano formati e quale sia stato il loro ruolo nell’evoluzione delle galassie che li ospitano.

Il nostro gruppo di ricerca è attivo da diversi anni nella ricerca e studio di Quasar nell’Universo primordiale (ovvero a redshift ∼ 4-7) con particolare attenzione verso quelli capaci di produrre potenti getti relativistici, probabilmente lungo l’asse di rotazione del buco nero centrale, i cosiddetti Quasar "radio-forti".

Le tesi triennali e magistrali che offriamo coprono diversi aspetti di questa tematica di punta e possono essere sia di taglio osservativo (riduzione e analisi di dati provenienti da telescopi) che di impostazione più interpretativa (confronto tra dati e modelli).

Una lista di possibili argomenti di tesi è riportata qui di seguito anche se è sempre possibile individuare nuovi argomenti sulla base dell’interesse dello studente. Le tesi, la cui durata varia da circa 3 mesi (tesi triennali) a circa un anno (tesi magistrali), verranno svolte presso l’Osservatorio Astronomico di Brera nella sua sede di Milano. Allo studente verranno forniti tutti gli strumenti necessari al completamento del lavoro (dati, computer, software, ..).
 
  • Evolutionary Map of the Universe: ricerca e studio dei Buchi Neri supermassicci più lontani
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Osservativa/interpretativa
La tesi proposta ha lo scopo di individuare e studiare Quasar di alto redshift nelle immagini profonde in banda radio ottenute recentemente con il radio telescopio di nuova generazione ASKAP (Australian SKA Pathfinder). Questo potente telescopio sta osservando sistematicamente una grande frazione del cielo (http://emu-survey.org/) con una sensibilità di gran lunga superiore a quelle ottenute in precedenza ed è quindi in grado di individuare Quasar molto distanti nello spazio (e quindi nel tempo) arrivando ai confini dell’Universo attualmente osservabile.
A seconda della tipologia di tesi (triennale/magistrale) e dell’interesse dello studente, il lavoro potrà essere focalizzato sulla ricerca di nuovi Quasar di alto redshift o sulla caratterizzazione fisica (stima della massa del buco nero centrale e della velocità di accrescimento, potenza del getto, ...) di quelli individuati fino ad ora per inquadrarle poi nel contesto evolutivo dei Buchi Neri Supermassicci.
 
  • Ricerca di nuovi quasar "radio-loud" nell’Universo primordiale
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Osservativa
La tesi ha come scopo l’individuazione di candidati quasar di alto redshift (>4-6) combinando i dati provenienti da telescopi ottici, infrarossi e radio di ultima generazione.
Lo studente apprenderà come "navigare" tra questi dati utilizzando software specifici e/o programmi scritti da lei/lui.
Imparerà quindi le tecniche principali, basate sui "colori" fotometrici, per individuare i possibili candidati quasar di alto redshift.
A seconda delle sue capacità e interessi, lo studente potrebbe anche scrivere una proposta osservativa a uno dei principali telescopi ottici esistenti (Large Binocular Telescope, ESO Very Large Telescope, Telescopio Nazionale Galileo,..) per il follow-up spettroscopico dei candidati da lei/lui selezionati in modo da confermarne la natura.
 
  • Studio dei getti estesi dei Quasar ad alto redshift
Representative image for thesis Triennale/Magistrale
Osservativa/interpretativa
Una caratteristica notevole dei getti relativistici dei quasar è la loro estensione, che, a partire dal buco nero, può arrivare fino a centinaia di Kpc, ovvero molto oltre il confine della galassia ospite.
La composizione dei getti e i meccanismi fisici responsabili della loro emissione sono tuttora materia di dibattito. In un recente lavoro, a partire dalla scoperta del getto più lontano mai osservato (a z=6.1), abbiamo proposto che l’emissione nella banda X sia causata dall’interazione degli elettroni del getto con i fotoni della radiazione di fondo (CMB), che in quell’epoca a solo un miliardo di anni dopo il Biga Bang era molto densa.
Lo scopo della tesi proposta su questo argomento è mettere alla prova questo modello confrontandolo con le osservazioni di altri quasar presenti negli archivi dei telescopi VLA e Chandra.
 
  • Studio delle regioni più interne dei getti relativistici in quasar di alto redshift usando la tecnica VLBI
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Osservativa/interpretativa
La tecnica VLBI (Very Long Baseline Interferometry) è una speciale tecnica osservativa che permette di ottenere immagini in banda radio con le risoluzioni più elevate (millesimi di secondo d’arco) raggiungibili con i telescopi moderni.
Questa tecnica è stata recentemente utilizzata per produrre le prime immagine dirette dei buchi neri super-massicci presenti della nostra Galassia (SgrA*) e nella galassia attiva M87.
Il nostro gruppo di ricerca ha ottenuto osservazioni VLBI di diversi Quasar di alto redshift e lo studente interessato potrà ridurre e analizzare una di queste osservazioni derivando così una mappa di altissima risoluzione delle regioni più interne del getto relativistico del quasar.
Lo studente utilizzerà uno dei due programmi principali per la riduzione di questi dati (AIPS oppure CASA).
 
  • Studio Buchi neri super-massicci nell’Universo primordiale visti da eROSITA
Representative image for thesis Triennale/Magistrale
Osservativa/interpretativa
La tesi proposta ha lo scopo di studiare i Quasar di alto redshift visti dal nuovo telescopio spaziale ai raggi X eROSITA. Questi primi dati, che sono stati rilasciati alla comunità scientifica negli ultimi mesi, sono di grande interesse in quanto sono in grado di rivelare e caratterizzare i Quasar più estremi presenti all’alba cosmica. Il lavoro di tesi prevede di combinare le proprietà in banda X con quelle ad altre lunghezze d’onda (ad esempio radio e ottica) in modo da caratterizzare le proprietà fisiche delle sorgenti come la presenza o meno di getti relativistici, la massa del buco nero centrale la velocità di accrescimento, inquadrandole poi nel contesto evolutivo dei SMBH.
A seconda del tipo di tesi (triennale/magistrale) è previsto l’approfondimento di alcune tematiche e/o lo studio di un singolo oggetto o di un campione più ampio di sorgenti.