Attivita' di ricerca

X-ray/radio overlay of RBS797 (Gitti et al. 2013)

Ammassi di galassie

e mezzo intergalattico (ICM):

proprieta' nelle bande radio e X



Ricerca post-dottorato

L'attivita' di ricerca post-dottorato affronta varie tematiche relative allo studio delle proprieta' ed evoluzione degli ammassi di galassie e del mezzo intergalattico (ICM) ottenute principalmente tramite immagini multibanda. In particolare, i principali interessi di ricerca riguardano:

Studio del feedback dall'AGN: radiogalassie e cavita' in banda X osservate negli ammassi "cool core"

Negli ultimi anni la nostra comprensione della fisica che regola il comportamento e l'evoluzione delle regioni centrali degli ammassi e gruppi di galassie definiti "cool core" e' cambiata drasticamente. Osservazioni X ad alta risoluzione effettuate con i satelliti X di nuova generazione Chandra e XMM-Newton hanno infatti mostrato la mancanza di evidenza spettroscopica di gas (mezzo intra-cluster, ICM) in raffreddamento a temperature molto basse. Allo stesso tempo osservazioni radio, effettuate a una risoluzione angolare confrontabile a quella di Chandra (~ 1 arcosecondo), hanno evidenziato una forte interazione tra il plasma relativistico e il plasma termico: i lobi delle radiogalassie, potenziati dal nucleo galattico attivo (AGN) centrale, si espandono nell'ICM scavando cavita' osservabili come deficit di emissione in banda X. Questo ha identificato gli AGN come i maggiori candidati per fornire l'energia non-gravitazionale necessaria a riscaldare i "cool cores". La mia attivita' di ricerca e' mirata a ottenere un quadro esaustivo ed autoconsistente del cosiddetto processo di "feedback" dall'AGN centrale, che e' di essenziale importanza anche per comprendere la formazione ed evoluzione di galassie.
Nell'ambito di questo progetto ho studiato l'interazione tra la radiosorgente centrale e l'ICM nell'ammasso RBS 797. Grazie a nuove osservazioni VLA ho scoperto emissione radio su diverse scale e orientazioni. Questa particolare morfologia radio e' dovuta probabilmente all'attivita' ricorrente dell'AGN centrale, dove la diversa orientazione dei getti rispetto ai lobi che riempiono le cavita' osservate in X potrebbe essere dovuta agli effetti di un sistema binario di buchi neri supermassivi (Gitti, Feretti & Schindler 2006, A&A, 448, 853). Questo lavoro mi ha permesso di ottenere come Principal Investigator nuovi dati VLA e XMM-Newton di RBS 797. L'analisi congiunta di questi dati e di nuove osservazioni Chandra, con il relativo studio interpretativo dell'emissione radio su larga scala (mini-alone radio, si veda punto successivo) e del sistema di cavita', ha costituito l'oggetto di una Tesi di Laurea Magistrale svolta presso il Dip. di Astronomia dell'Universita' di Bologna, di cui sono stata co-relatrice e che ha portato a una pubblicazione (Doria, Gitti, et al. 2012, ApJ, 753, 47).
Mi sono anche occupata dello studio delle cosiddette "cavita' giganti". In particolare, sono state effettuate osservazioni XMM-Newton dell'ammasso MS 0735+7421 ospitante l'evento di AGN piu' energetico fino ad ora conosciuto, che ha creato cavita' di oltre 200 kpc di diametro aventi un'energia totale dell'ordine di ~ 10^62 erg. Tale energia e' sufficiente a bilanciare il "cooling flow" e a riscaldare l'ICM di circa 1/4 keV per particella. Dallo studio delle proprieta' generali dell'ammasso e' inoltre emerso uno scenario per cui eventi di AGN di tale potenza non causano effetti istantanei drammatici sulle relazioni di scala degli ammassi, ad eccezione della relazione temperatura-luminosita' che puo' essere invece modificata (Gitti et al. 2007, ApJ, 660, 1118). Tramite l'analisi di un'osservazione profonda Chandra dell'ammasso Hydra A, dove e' presente un fronte di shock su larga scala originato da un potente AGN centrale che ha creato cavita' giganti, si e' poi mostrato che la metallicita' dell'ICM e' maggiore lungo la direzione dei getti radio rispetto alla direzione ortogonale ai getti. L'aumento in metallicita' lungo i getti e i lobi radio mostra come radiosorgenti potenti siano in grado di distribuire gas freddo, ricco di metalli, attraverso le regioni centrali degli ammassi di galassie (Kirkpatrick, Gitti, et al. 2009, ApJ, 707, L69). Ho recentemente presentato una nuova analisi dettagliata dei dati Chandra di questo ammasso, notando la presenza di un "appiattimento" del profilo di temperatura nell'intervallo tra 70-150 kpc, mai osservato prima. Tale appiattimento e' segno della presenza di gas freddo, visibile anche sotto forma di filamenti nell'immagine costruita con la tecnica di "hardness ratio". Dall'analisi spettrale dettagliata dei filamenti di gas freddo si e' trovata evidenza che circa 10^11 masse solari di gas a bassa entropia sono state sollevate lungo i lobi radio dai 30 kpc centrali fino alla posizione attuale di circa 100 kpc. L'energia richiesta per sollevare il gas freddo e' maggiore di 10^60 erg, confrontabile con il lavoro necessario per scavare le cavita' osservate in banda X e corrispondente a circa il 25% dell'energia totale dello shock su larga scala. Questi risultati mostrano che il feedback da AGN in Hydra A agisce non soltanto scaldando direttamente il gas, ma anche rimuovendo una quantita' sostanziale di "carburante" per il buco nero supermassiccio. Il mio lavoro ha quindi permesso di trovare importanti indicazioni per la presenza di un feedback meccanico, che agisce attraverso outflows collimati generati dai getti radio dell'AGN (Gitti et al. 2011, ApJ, 732, 13).
Si e' inoltre investigato l'effetto del feedback dall'AGN sulla scala dei gruppi di galassie (Giacintucci et al. 2011, ApJ, 732, 95; O'Sullivan et al. 2011, ApJ, 735, 11). In particolare, ho studiato il gruppo compatto HCG 62 a partire dall'analisi combinata di osservazioni in banda radio (ottenute con il radiotelescopio indiano GMRT) e in banda X (ottenute con Chandra ed XMM-Newton), mostrando che l'emissione radio si estende nella regione delle cavita' X, e che la radiosorgente ha un'efficienza radiativa di sincrotrone molto bassa. Dal confronto tra la pressione del plasma relativistico e del plasma termico nel sistema di cavita' ho derivato limiti sul contenuto dei lobi radio, e ho inoltre scoperto un fronte di shock (con numero di Mach ~ 1.5) che contribuisce energeticamente al riscaldamento della regione centrale di questo gruppo di galassie (Gitti et al. 2010, ApJ, 714, 758).

L'importanza del mio lavoro di ricerca sul feedback da AGN in ammassi e gruppi di galassie e' stata riconosciuta a livello internazionale con l'invito a scrivere una review sull'argomento, che e' stata recentemente pubblicata sulla rivista Advances in Astronomy (Gitti, Brighenti & McNamara 2012).

La mia ricerca attuale e futura e' volta a studiare il processo di feedback da AGN nel suo intero spettro di massa ed energia tramite osservazioni nella banda radio e nella banda X: dall'analisi di alcuni degli eventi di AGN piu' spettacolari ed energetici in ammassi ricchi, allo studio di un campione selezionato di gruppi di galassie, che rappresentano l'ambiente tipico per l'evoluzione dei barioni. Particolare attenzione e' rivolta al confronto con altre bande dello spettro elettromagnetico (soprattutto millimetrico e ottico) per studiare i prodotti finali del raffreddamento nei "cool cores" nella forma di gas molecolare e formazione stellare. In particolare, sono Principal Investigator di un progetto congiunto Chandra-JVLA per studiare l'interazione tra la radiosorgente centrale e l'ICM in un campione di ammassi selezionati tra i piu' brillanti in banda X e gli emettitori pi\`u luminosi in H\alpha, che e' un tracciante della presenza di gas freddo. I dati sono gia' stati acquisiti e sono in fase di analisi (l'osservazione Chandra del primo ammasso del campione e' stata recentemente pubblicata in Ettori, Gastaldello, Gitti, et al. 2013, A&A, 555, A93). Sto attualmente progettando un follow-up del campione nelle bande millimetriche per osservare le righe di emissione rotazionali del CO al centro di questi ammassi, e investigare se l'accumulo, distribuzione e cinematica del gas molecolare e' consistente con quello previsto dal raffreddamento nei "cool cores" nell'ambito dei modelli di feedback da AGN (il proposal osservativo verra' presentato nel Cycle 2 di ALMA). Sono inoltre coinvolta nel progetto ``The Complete Local-Volume Groups Sample'' (CLoGS, PI E. O'Sullivan), che si propone di essere la prima survey statisticamente completa di ammassi di galassie osservati nelle bande radio, millimetriche, ottiche e X. Il campione CLoGS consiste di 53 gruppi di galassie nell'Universo Locale, e l'acquisizione dei dati nelle diverse bande e' attualmente in corso (in particolare in banda radio e' gia' stata completata per l'intero campione).

Collaboratori principali:

- F. Brighenti (Dip. Fisica e Astronomia, Universita' di Bologna)
- L. David (SAO-CfA, USA)
- S. Ettori (INAF, Osservatorio Astronomico di Bologna)
- L. Feretti (INAF, IRA Bologna)
- F. Gastaldello (INAF-IASF Milano)
- B. McNamara (University of Waterloo, Canada)
- P. Nulsen (SAO-CfA, USA)
- E. O'Sullivan (SAO-CfA, USA)
- J. Vrtilek (SAO-CfA, USA)



Proprieta' delle sorgenti radio in ammassi "cool core": mini-aloni radio e radiogalassie centrali

In alcuni ammassi "cool core" la radiogalassia centrale e' circondata da emissione radio diffusa, definita come "mini-alone". Lo scarso numero di mini-aloni radio conosciuti fino ad ora (una decina in tutto) non ha permesso di raggiungere risultati conclusivi circa la comprensione della loro origine e delle loro proprieta' fisiche. Con l'intento di studiare la connessione tra emissione non termica ed emissione termica da ammassi di galassie, a partire da cataloghi nelle bande radio e X ho selezionato un campione di ammassi "cool core" con alta probabilita' di ospitare emissione radio diffusa. Per questi ammassi ho poi ottenuto nuovi dati VLA da analizzare ed interpretare, in combinazione con dati in banda X, alla luce del modello di riaccelerazione per l'origine dei mini--aloni radio sviluppato durante il Dottorato di Ricerca.
Nell'ambito di questo progetto sono state effettuate nuove osservazioni VLA dell'ammasso RX J1347.5-1145, il piu' luminoso in banda X, che mostra evidenza di merger minore. Dall'analisi di questi dati ho scoperto la presenza di emissione radio estesa e diffusa, non legata all'emissione dell'AGN centrale. Le proprieta' della radiosorgente, in particolare la sua presenza in un ammasso "cool core", le sue dimensioni totali confrontabili con la regione in raffreddamento, e il suo accordo con la correlazione osservata tra luminosita' radio e potenza di "cooling flow", indicano che questo ammasso ospita un mini-alone radio. La morfologia dell'emissione radio, allungata in corrispondenza della sottostruttura calda osservata in banda X, suggerisce che il merger possa contribuire alla riaccelerazione degli elettroni (Gitti et al. 2007, A&A, 470, L25).
Si e' inoltre condotto uno studio morfologico comparativo tra i mini-aloni e gli aloni giganti basato sulle correlazioni osservative tra luminosita' radio e luminosita' X, e tra luminosita' radio e raggio fisico. Si e' trovato che l'emissivita' di sincrotrone dei mini-aloni e' circa un fattore 50 maggiore di quella degli aloni giganti, implicando un processo molto efficiente per la loro origine (Cassano, Gitti & Brunetti 2008, A&A, 486, L31).
Ho inoltre recentemente completato l'analisi di nuovi dati VLA dell'ammasso Abell 2626, incluso nel primo campione di mini-aloni selezionato durante il Dottorato di ricerca. Le nuove immagini radio ad alta risoluzione hanno confermato la presenza di emissione diffusa, ma allo stesso tempo hanno evidenziato una morfologia estremamente peculiare della radiosorgente, con la presenza di tre archi radio simmetrici rispetto alla struttura centrale core-getti (Gitti 2013, in corso di stampa su MNRAS Letters). Per raggiungere una comprensione definitiva circa l'origine e natura di queste strutture e' necessario uno studio delle loro proprieta' spettrali, che potra' essere realizzato sulla base di nuovi dati a multifrequenza che sto progettando di richiedere al radiotelescopio JVLA.
Un altro oggetto del campione di candidati mini-aloni e' l'ammasso RBS 797, gia' menzionato nel punto precedente riguardo allo studio del feedback da AGN. I nuovi dati VLA a bassa risoluzione da me ottenuti, utilizzati per una tesi di Laurea, hanno confermato la classificazione di mini-alone radio (Doria, Gitti, et al. 2012, ApJ, 753, 47). Ho inoltre recentemente proposto osservazioni radio ad alta risoluzione della galassia centrale in questo ammasso per investigare l'ipotesi che essa ospiti un sistema binario di buchi neri supermassivi. L'osservazione di test condotta in maggio 2013 con l'European VLBI Network (EVN) e' stata molto promettente, in quanto sono state rivelate due componenti compatte a una distanza proiettata di circa 80 pc (Gitti et al. 2013, in corso di stampa su A&A Letters).

Collaboratori principali:

- G. Brunetti (INAF-IRA Bologna)
- R. Cassano (INAF-IRA Bologna)
- L. Feretti (INAF-IRA Bologna)
- G. Giovannini (Dip. Fisica e Astronomia, Universita' di Bologna)
- M. Giroletti (INAF-IRA Bologna)



Determinazione di massa degli ammassi a partire da osservazioni in banda X

Nello scenario cosmologico per la formazione di strutture, gli ammassi di galassie si formano tramite l'aggregazione gerarchica di sottostrutture. La determinazione della massa degli ammassi e della relativa funzione di massa rappresenta un importante strumento per la stima dei principali parametri cosmologici, quali la densita' della materia, il contributo dell'energia oscura e i parametri spettrali delle fluttuazioni primordiali. Gli ammassi di galassie rappresentano quindi una sorgente di informazioni particolarmente ricca per testare il modello cosmologico attuale. Attualmente i due metodi principali per stimare i profili di massa degli ammassi sono quelli basati su osservazioni X e su lenti gravitazionali. A differenza della tecnica X, che si fonda sull'ipotesi di equilibrio idrostatico, il metodo di lenti gravitazionali e' essenzialmente libero da assunzioni riguardo lo stato dinamico della materia gravitante. E' quindi di grande interesse effettuare un confronto tra i profili di massa derivati con le due diverse metodologie per poter investigare le loro condizioni di validita'.
Nell'ambito di questo progetto ho studiato mediante osservazioni XMM-Newton l'ammasso RX J1347.5-1145, il piu' luminoso in banda X. Esso presenta uno stato dinamico molto complesso mostrando allo stesso tempo evidenze di "cooling flow" e di "merger" (Gitti & Schindler 2004, A&A, 427, L9). Escludendo i dati delle regioni disturbate, e' stata effettuata un'accurata ricostruzione del profilo di massa a partire dai profili di densita' e temperatura dell'ICM derivati dalle osservazioni X, e si sono investigate le relazioni di scala degli ammassi. I risultati ottenuti sono stati criticamente confrontati con risultati precedenti di studi X e lenti gravitazionali (Gitti, Piffaretti & Schindler 2007, A&A, 472, 383). E' inoltre stata effettuata un'analisi simile per l'ammasso Z3146, per il quale il profilo di massa ottenuto da osservazioni XMM-Newton e' stato confrontato con la ricostruzione di massa derivata da studi di lenti gravitazionali basati su nuove osservazioni WFI@ESO (Kausch, Gitti, et al. 2007, A&A, 471, 31). A partire dall'osservazione di ammassi in X e ottico, la mia ricerca attuale e futura e' volta a studiare in maniera sistematica le problematiche che affliggono i metodi di ricostruzione di massa e testarne la validita', anche tramite il confronto con risultati di simulazioni numeriche.

Collaboratori principali:

- S. Ettori (INAF - Osservatorio Astronomico di Bologna)
- M. Meneghetti (INAF - Osservatorio Astronomico di Bologna)
- R. Piffaretti (CEA/Saclay, France)
- S. Schindler (University of Innsbruck, Austria)



Dottorato di ricerca (scarica la tesi di dottorato!)

Nel corso del Dottorato di Ricerca ho studiato l'origine dei mini-aloni radio, sorgenti radio diffuse osservate al centro di alcuni ammassi di galassie con "cooling flow". Tale argomento si colloca nel contesto piu' generale dello studio dell'interazione tra plasma relativistico e plasma termico nel mezzo intergalattico diffuso degli ammassi. In particolare si e' sviluppato un modello teorico dettagliato secondo cui la presenza di mini-aloni radio puo' essere dovuta all'emissione di elettroni relativistici riaccelerati da turbolenza nella regione in raffreddamento. Il modello, che costituisce un contributo significativo alla comprensione di queste radiosorgenti fino ad ora poco studiate, e' stato validato con l'interpretazione delle proprieta' radio di due ammassi con mini-alone, per uno dei quali (Abell 2626) e' stata necessaria l'analisi di dati di archivio VLA. E' stato inoltre affrontato lo studio delle proprieta' osservative dei mini-aloni in relazione alle proprieta' radio e X degli ammassi ospitanti (Gitti, Brunetti & Setti 2002, A&A, 386, 456; Gitti et al. 2004, A&A, 417, 1).

Tutore: Prof. G. Setti
Correlatore: Dr. G. Brunetti







Last Update: September 2013