Attività di Ricerca

Studio dell'evoluzione dell’Universo osservabile, a partire dalle condizioni iniziali di quasi omogeneità fino alla formazione delle strutture che caratterizzano la distribuzione della materia sia nella sua componente visibile che oscura (Dark Matter).

L’informazione più diretta che possiamo ricavare sulle condizioni fisiche dell’Universo primordiale ci viene dal fondo cosmico a microonde (CMB, Cosmic Microwave Background), che ci permette di studiare la densità di materia e radiazione circa 300,000 anni dopo il Big Bang. Il CMB appare per la maggior parte isotropo, tuttavia caratterizzato da piccole fluttuazioni di temperatura che corrispondono ai “semi” che daranno origine alla distribuzione spaziale delle galassie osservata a tempi più recenti: una struttura a grande scale che riflette la distribuzione della materia oscura che domina il potenziale gravitazionale e che assomiglia ad una sorta di ragnatela cosmica (“Cosmic Web”), definita da un insieme di filamenti che si incrociano in grandi e densi nodi, che corrispondono ai gruppi ed ammassi di galassie.

Le misure basate su oggetti astrofisici che assumiamo avere una luminosità costante a tutte le epoche cosmiche hanno dimostrato che l'espansione dell'Universo ha iniziato ad accelerare circa 5 miliardi di anni fa. Il cosiddetto modello standard cosmologico (o modello ΛCDM) interpreta questa espansione accelerata sulla base di una costante cosmologica Λ ed assumendo che la materia oscura sia “fredda” (Cold Dark Matter). Nonostante questo modello si sia rivelato estremamente preciso nel descrivere correttamente un gran numero di osservazioni, è ancora lacunoso nella caratterizzazione di ingredienti cruciali per la nostra comprensione della fisica fondamentale. Ad esempio: come si sono generate le fluttuazioni primordiali subito dopo il Big Bang? Cos’è la materia oscura? Come si collega al modello standard delle particelle elementari? Qual è il meccanismo fisico responsabile per l’espansione accelerata dell’Universo scoperta 20 anni fa? Corrisponde a quale forma ignota di energia (“Dark Energy”) oppure implica una qualche deviazione della forza di gravità dalla formulazione relativistica Einsteiniana? Discrepanze tra le predizioni teoriche e le osservazioni potrebbero portare alla soluzione per almeno alcuni di questi problemi oppure evidenziare nuove e più gravi tensioni nella nostra comprensione dell’evoluzione dell’Universo.

Struttura a Grande Scala

Le perturbazioni nella distruzione delle galassie su larga scala mappano direttamente le perturbazioni nel campo di densità definito dalla materia oscura, ed allo stesso tempo sono un tracciante delle fluttuazioni primordiali. Allo stesso tempo, la crescita di queste perturbazioni a diverse epoche cosmiche permette di testare modelli alternativi sia di “dark energy” che di gravità modificata, di vincolare la massa dei neutrini così come le proprietà generali della materia oscura e le sue possibili interazioni con le altri componenti dell’Universo. I ricercatori OATs esplorano la struttura a grande scala studiando la distribuzione tridimensionale delle galassie, misurata a partire della loro posizione nel cielo e dal loro redshifts, utilizzando il clustering delle galassie, ed in particolare sviluppando modelli analitici e numerici per la misura quantitativa del clustering nel contesto di survey spettroscopiche. OATs è in prima linea nella costruzione della pipeline di analisi per la missione ESA Euclid (lanciata nel luglio del 2023), ma i suoi ricercatori sono coinvolti anche in altri esperimenti volti alla definizione della struttura a grande scala basati sia sull’emissione integrata della linea a 21 cm (21cm intensity mapping2), che sulla distribuzione delle linee in assorbimento negli spettri di quasar ad alto redshift, impresse dalla distribuzione dell'idrogeno neutro lungo la linea di vista (Lyman-α forest).

Staff: Pierluigi Monaco (UniTS), Emiliano Sefusatti (OATS), Matteo Viel (SISSA)

Postdocs: Emilio Bellini (IFPU/UNG), Isabella Carucci (OATS), Yousry Elkhashab (UniTs), Chiara Moretti (SISSA), Federico Rizzo (OATS), Elena Sarpa (SISSA)

Students: Marius Lepinzan (UniTs), Jacopo Salvalaggio (UniTs), Francesco Verdiani (SISSA)

Links: Webpage of the large-scale structure group in Trieste

I gruppi e gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture in equilibrio dinamico nell’Universo. La loro massa totale è dominata dalla materia oscura, con i barioni che possono contribuire per meno del 20% del totale, ed in particolare sotto forma di plasma caldo diffuso. Gli ammassi di galassie tracciano i picchi di alta densità del campo di densità della materia e forniscono un utile test per la crescita delle strutture e per l'espansione accelerata dell’Universo.

L'abbondanza e la distribuzione spaziale degli ammassi permettono una stima complementare ed indipendente dei parametri cosmologici e della fisica fondamentale. Presso OATs, sono diverse le attività di ricerca che si riferiscono agli ammassi di galassie. In particolare, l'Istituto è coinvolto nell’analisi del campione di ammassi osservato da Euclid e nella derivazione dei vincoli cosmologici da cataloghi di ammassi derivati sia in banda ottica (SDSS, DES, HSC), sia in banda submillimetrica (Planck, SPT). Dal punto di vista teorico, vengono sviluppate ed analizzate simulazioni cosmologiche che permettono di quantificare gli effetti sistematici (sia teorici che osservativi) presenti in questi studi.

I ricercatori di OATs sono inoltre coinvolti in numerose survey di galassie ed ammassi di galassie (ad esempio CLASH-VLT, WEAVE e Euclid) che permettono di vincolare: i) la storia di accrescimento degli ammassi, dallo studio delle sottostrutture e dei profili di massa negli ammassi; ii) la dinamica negli ammassi e la distribuzione delle orbite delle galassie che ne fanno parte; iii) le proprietà della materia oscura, dall’analisi dei profili di densità nelle regioni centrali degli ammassi; iv) teorie alternative per la gravità, dal confronto dei profili di densità stimati dalla cinematica con quelli derivati da tecniche di lensing gravitazionale.

Le osservazioni e le simulazioni idrodinamiche permettono inoltre di investigare l'evoluzione degli ammassi tramite il loro gas caldo intergalattico (intra-cluster medium o ICM), ovvero il diffuso plasma caldo che pervade gli ammassi. I ricercatori di OATs studiano l'evoluzione dell’ICM, la sua interazione con le galassie dell’ammasso, il suo arricchimento chimico, la sua dinamica e le sue relazioni con le proprietà globali dell’ammasso, il suo profilo di densità e pressione. Studiano anche l'accuratezza con cui diversi approcci permettono di misurare la massa degli ammassi, che rimane tutt’ora un punto critico nei diversi studi, inclusi quelli con implicazioni cosmologiche.

Staff: Veronica Biffi (OATS), Andrea Biviano (OATS), Stefano Borgani (UniTS), Matteo Costanzi (UniTS), Marisa Girardi (UniTS), Emiliano Munari (OATS), Elena Rasia (OATS), Alexandro Saro (UniTS)

Postdocs: Tiago Batalha De Castro (OATS), Zohreh Ghaffari (OATs)  

Students:  Chaitra Chaitra (UniTS), Roberto Ingrao (UniTs)

Il mezzo intergalattico (IGM) è costituito dal gas (principalmente idrogeno) che si trova tra le galassie. A redshift superiori a 1.5 l’IGM include più dell’80% di tutti i barioni disponibili e permette di mappare la struttura a grande scale definita dalla materia oscura più precisamente delle galassie. L’IGM viene tipicamente studiato a partire da spettri di sorgenti luminose ad alto redshift (principalmente quasars), utilizzando le linee in assorbimento, impresse dai barioni diffusi lungo la linea di vista.

Le attività condotte a OATs includono: (i) l'identificazione di campioni di quasar luminosi ad alto redshift (ad esempio tramite survey QUBRICS), (ii) l’osservazione di campioni di spettri di quasar ad alta risoluzione ed alto segnale-rumore con strumentazione all’avanguardia (tramite il coordinamento dell’ESO Large Program EQUALS ed il coinvolgimento nello sviluppo degli spettrografi di nuova generazione CUBES e ANDES), (iii) la definizione di spettri sintetici da simulazioni cosmologiche da usare per l'interpretazione dei dati, (iv) l’individuazione e la caratterizzazione dell'epoca della reionizzazione cosmica; (v) le misure delle abbondanze degli elementi primordili (Deuterio, Litio) per testare lo scenario della nucleosintesi primordiale (Big Bang Nucleosynthesis paradigm); (vi) la caratterizzazione delle proprietà chimiche e isotopiche del gas neutro che traccia le strutture a bassa densità a a z>2 (DLAs); (vii) test per la variabilità delle costanti fondamentali; (viii) il Sandage Test per il redshift drift cosmologico; (ix) la caratterizzazione delle proprietà della materia oscura, ad esempio tramite lo studio del free streaming della materia oscura che permette di vincolare il possibile contributo la materia oscura tiepida.

In un Universo in espansione, il redshift osservato delle sorgenti astrofisiche soggette al flusso di Hubble cambia con il tempo cosmico. Questa misura permette di mappare in tempo reale l'espansione dell'Universo, in un modo totalmente indipendente da eventuali assunzioni sul modello cosmologico e complementare rispetto alle osservazioni cosmologiche tradizionali. Tuttavia, questo esperimento richiede una accuratezza estrema, tale da spingere gli spettrografi esistenti al loro limite tecnico, e costituire quindi una “proof of concept” per gli strumenti di nuova generazione. I ricercatori OATs stanno portando avanti le prime osservazioni (first-epoch) con gli spettrografi di massima accuratezza e stabilità disponibili (VLT/ESPRESSO) e sviluppando il necessario software di riduzione ed analisi questa spettroscopia di precisione.

I modelli teorici per l’unificazione delle forze fondamentali (forte debole ed elettromagnetica), così come le teorie fisiche per spiegare l'energia oscura, prevedono naturalmente una variazione delle costanti fondamentali, osservabile su tempi scala cosmologici. I ricercatori presso OATs utilizzano osservazioni accurate di linee di assorbimento negli spettri dei quasar (ottenute sia da strutture in tutto il mondo che tramite il coordinamento di Large Program at ESO/VLT dedicato) per portare avanti precise misurazioni della costante di struttura fine α (che caratterizza la forza dell'interazione elettromagnetica) e del rapporto tra la massa del protone e la massa dell'elettrone μ (che caratterizza l'accoppiamento delle scale forti ed elettrodeboli).

Gli stessi strumenti possono essere usati anche per studiare le abbondanze isotopiche nei sistemi di linee in assorbimento, in particolare del carbonio e del magnesio. Anche questi esperimenti richiedono strumentazione ad alta fedeltà dal momento che la presenza di isotopi multipli viene spesso associata a minime asimmetrie nei profili di riga. Per la prima volta, questi strumenti permetteranno di studiare l’evoluzione delle abbondanze isotopiche a diverse epoche cosmiche ed in diversi ambienti. Inoltre i risultati potranno essere confrontati con modelli di evoluzione chimica che simulano l’origine di tali elementi.

Staff: Paramita Barai (OATS), Giorgio Calderone (OATS), Stefano Cristiani (OATS), Guido Cupani (OATS), Valentina D'Odorico (OATS), Fabio Fontanot (OATS), Paolo Molaro (OATS), Matteo Viel (SISSA)

Postdocs: Vid Irsic (IFPU), Dinko Milaković (IFPU), Matteo Porru (OATS), Louise Welsh (OATs)

Students:Matilde Brazzini (UniTs), Simona Di Stefano (UniTs), Andrea Trost (UniTS)

Lo studio dell’origine e della storia evolutiva delle galassie si basa sia su osservazioni di cataloghi di galassie statisticamente significativi, sia su studi dettagliati di singoli oggetti a diverse epoche cosmiche. Lo sforzo osservativo deve essere inserito in un quadro teorico che permetta di collegare le proprietà osservate delle galassie ai processi fisici che ne determinano l’evoluzione, a partire della formazione delle prime popolazioni stellari fino alle galassie attuali.

Le osservazione delle diverse componenti delle galassie (gas, polvere, stelle, buchi neri super-massicci) mostra che il tasso di formazione stellare integrato aumenta rapidamente a partire dell’Universo primordiale e raggiunge un massimo a z≳2 (circa 3 Gyr dopo il Big Bang), dopodichè declina rapidamente fino al tasso attuale (a circa 13.8 miliardi di anni dopo il Big Bang). Perciò, gran parte delle stelle che si osservano si sono formate durante la prima metà della vita dell’Universo. Un comportamento simile si osserva per l’accrescimento della materia sui buchi neri super-massicci, il che suggerisce una stretta co-evoluzione tra la crescita di questi oggetti e quella delle galassie che li ospitano.

Gran parte delle stelle si formano in galassie che obbediscono ad una stretta correlazione tra la loro massa stellare ed il loro tasso di formazione stellare. La comprensione dei processi fisici per cui alcune galassie smettono di formare stelle ed abbandonano questa relazione, così come la relazione tra questi meccanismi di “quenching” e l'evoluzione strutturale e morfologica delle galassie, sono tutti argomenti di punta dell’astrofisica moderna. La caratterizzazione di questa fase evolutiva richiede di combinare studi mirati ai meccanismi fisici interni alle galassie (ad esempio il feedback energetico dato dall’evoluzione stellare o dai nuclei galattici attivi), con studi focalizzati su processi esterni alle galassie, ovvero relativi all'interazione di queste con il loro ambiente. Nonostante gli sforzi profusi, la vastità di osservazioni raccolte ed i sofisticati modelli teorici sviluppati, le differenti fenomenologie delle popolazioni galattiche rimangono un puzzle per molti versi incompleto.

I ricercatori a OATs sono coinvolti in una vasta gamma di progetti che studiano le galassie a partire dall’Universo locale fino ad alto redshift, a differenti epoche cosmiche ed ambienti, combinando sia studi osservativi che teorici.

L’evoluzione delle galassie si sviluppa in un contesto cosmologico complesso che influenza le loro proprietà in molti modi. A questo si aggiunga che la nostra comprensione dei processi fisici alla base della varietà di proprietà osservate nelle galassie è limitata a dir poco. Il livello di complessità si alza notevolmente, nel momento in cui si tenga conto che i processi rilevanti tipicamente non agiscono in isolamento, ma sono coinvolti in un network di azioni, reazioni ed autoregolazione, nel quale si influenzano vicendevolmente. Presso il nostro Istituto viene sviluppata una ampia gamma di diverso modelli teorici che spaziano da: (i) sofisticati modelli di evoluzione chimica che tracciano l'evoluzione dei diversi elementi; (ii) simulazioni teoriche all’avanguardia che combinano l’evoluzione degli aloni di materia oscura (estratti da simulazioni cosmologiche N-body ad altissima risoluzione) con prescrizioni numeriche (motivate da risultati osservativi o teorici), al fine di modellare l’evoluzione dei barioni; (iii) simulazioni idrodinamiche cosmologiche in grado di seguire allo stesso tempo l’evoluzione della materia oscura e dei barioni.

Questi modelli teorici vengono utilizzati per affrontare diverse questioni scientifiche, che includono: (i) la caratterizzazione della formazione ed evoluzione delle galassie in diversi ambienti e a diverse epoche cosmiche; (ii) la dinamica dei buchi neri e la co-evoluzione dei buchi neri super-massicci con le galassie che li ospitano; (iii) l’origine delle molecole e degli elementi pesanti nell’Universo, così come la nascita delle prime generazioni di stelle e galassie.

Staff: Paramita Barai (OATS),  Veronica Biffi (OATS), Stefano Borgani (UniTS), Gabriele Cescutti (OATs), Gabriella De Lucia (OATS), Fabio Fontanot (OATS), Gian Luigi Granato (OATS), Michaela Hirschmann (OATS), Umberto Maio (OATS), Francesca Matteucci (UniTS), Pierluigi Monaco (UniTS), Giuseppe Murante (OATS), Elena Rasia (OATS), Alexandro Saro (UniTS), Emanuele Spitoni (OATS), Daniela Carollo (OATS).

Postdocs: Tiago Batalha de Castro (OATS), Omima Osman (OATS), Milena Valentini (UniTs)

Students: Sebastiano Cantarella (UniTs), Vieri Cammelli (UniTs), Alice Damiano (UniTS), Michela Esposito (UniTS), Arianna Vasini (UniTs), Luca Cappelli (UniTS), Chaitra Chaitra (UniTS), Giovanni Lacopo (UniTS)

Links: GAEA model

I ricercatori presso OATs investigano la storia di formazione delle galassie utilizzando sia campioni di popolazioni di galassie a diverse epoche cosmiche che osservazioni dettagliate delle popolazioni stellari in galassie vicine. Le proprietà delle diverse popolazioni di galassie nell’Universo locale dipendono dalla loro posizione nella struttura a grande scala, come evidenziato dalle ben note relazioni che legano l'ambiente con la morfologia e le proprietà di gas e delle popolazioni stellari.

I gruppi e gli ammassi di galassie possono essere considerati ideali laboratori per studiare l’impatto degli effetti d'ambiente sull’evoluzione delle galassie. Gli ammassi in particolare rappresentano ambienti estremi in termini di densità e dove ci si aspetta che gli effetti di ambiente abbiano un effetto più evidente. D'altra parte i gruppi meno massicci rappresentano il tipo di ambiente più comune nella struttura a grande scala. Lo studio dell’evoluzione delle galassie in gruppi ed ammassi, fino a più di 10 miliardi di anni fa, ha lo scopo di investigare gli effetti dell'ambiente sul tasso di formazione stellare, sull'attività nucleare, sulle morfologie e sulla distribuzione del gas negli ammassi di galassie; si basa su osservazioni dedicate multibanda ottenute dai principali osservatori terrestri e telescopi spaziali (XMM, Newton, Chandra, VLT, HST, Spitzer, ALMA, uGMRT, MeerKAT, JVLA) e su dati ottenuti nel contesto di surveys (CLASH-VLT, Euclid, SPT-SZ, DES, GOODS, CANDELS, COSMOS).

L’utilizzo di modelli teorici e simulazioni d'avanguardia permette di interpretare i vincoli osservativi e investigare i processi fisici che governano l'evoluzione delle galassie nelle strutture massive a diverse epoche cosmiche.

Staff: Andrea Biviano (OATS), Stefano Borgani (UniTS), Daniela Carollo (OATS), Gabriella De Lucia (OATS), Marisa Girardi (UniTS), Gian Luigi Granato (OATS), Elena Rasia OATS), Alexandro Saro (UniTS), Veronica Strazzullo (OATS)

Postdocs: Maurilio Pannella (OATS)

Students: Sebastiano Cantarella (UniTs), Michela Esposito (UniTS)

Un nucleo galattico attivo (Active Galactic Nucleus - AGN) rappresenta una regione compatta al centro di una galassia caratterizzata da una significativa emissione di radiazione di origine non stellare, tipicamente interpretata come il risultato dellàaccrescimento di materiale su un buco nero super-massiccio. Presso OATs, studiamo le proprietà degli AGN, dei buchi neri super-massicci e delle galassie che li ospitano a diverse epoche cosmiche, dell'Universo locale a z≳6, investigando allo stesso tempo l’impatto che l'attività nucleare ha sulla galassie ospite. Vengono utilizzate osservazioni multibanda che spaziano dalla banda X attraverso l’ottico ed il vicino infrarosso, fino alle lunghezza d'onda millimetriche e radio, sia per quanto riguarda sorgenti individuali, sia per campioni statistici di oggetti ottenuti dai principali osservatori terrestri e telescopi spaziali (INTEGRAL, Chandra, XMM-Newton, VLT, ALMA, NOEMA, JVLA, LOFAR).

Staff: Chiara Feruglio (OATS), Fabrizio Fiore (OATS), Manuela Bischetti (UniTS), Valentina D’Odorico (OATS)

Postdocs: Francesco Salvestrini (OATS)

Students: Matilde Brazzini (UniTS)

Links: SUPER survey

Le prime stelle a formarsi ad alto redshift producono fotoni ionizzanti che iniziano il processo di reionizzazione del gas neutro ed iniziano ad illuminare le cosiddette “Dark Ages”. Allo stesso tempo sintetizzano elementi chimici che verranno dispersi alla fine del ciclo di vita stellare, contribuendo così all'arricchimento chimico dell'ambiente circostante. I metalli così distribuiti nel mezzo interstellare possono in seguito sfuggire dalle galassie grazie ai processi di feedback ed andare ad arricchire il cosiddetto mezzo circum-galattico (CGM) ed intergalattico (IGM). Queste scale possono essere studiate utilizzando le linee in assorbimento negli spettri di sorgenti luminose e distanti (generalmente quasar), impresse dai barioni diffusi lungo la linea di vista. Questa tecnica rende possibile lo studio delle abbondanze chimiche nel gas diffuse attorno alle galassie e al di fuori di queste, su un ampio intervallo di epoche cosmiche, dell'Universo locale fino all’epoca della reionizzazione. I ricercatori ad OATs in particolare studiano l'arricchimento chimico del CGM/IGM a redshift 2≲z≲6, sfruttando grandi campioni di quasar osservati con i più grandi telescopi da terra. Queste osservazioni permettono di derivare importanti informazioni sui processi responsabili per l'espulsione del gas dalle galassie tramite venti stellari oppure effetti di feedback da supernovae ed AGN. Queste osservazioni sono inoltre utili per la caratterizzazione delle prime stelle formate nell’Universo, tramite la ricerca delle tracce chimiche peculiari che ci aspettiamo lascino nel loro ambiente. Il team del nostro Istituto è coinvolto in modo importante (con anche ruoli di leadership) in programmi osservativi dedicati a questi argomenti, così come nello sviluppo di strumenti di nuova concezione quali gli spettrografi VLT/CUBES e ELT/ANDES.

I ricercatori da OATs lavorano altresì allo studio di traccianti per l'arricchimento chimico estratti da simulazioni cosmologiche idrodinamiche, con lo scopo di confrontarli con i dati osservativi al fine di comprendere quali processi fisici siano coinvolti nella dispersione dei metalli nel CGM/IGM.

Staff: Paramita Barai (OATS), Manuela Bischetti (UniTS), Daniela Carollo (OATS), Stefano Cristiani (OATS), Guido Cupani (OATS), Valentina D'Odorico (OATS), Chiara Feruglio (OATS), Paolo Molaro (OATS)

Postdocs: Louise Welsh (OATS)

Students: Simona Di Stefano (UniTS), Matilde Brazzini (UniTS)

Links: XQR30 , CUBES, ANDES