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Cristian Vignali

Professore associato

Dipartimento di Fisica e Astronomia

Settore scientifico disciplinare: FIS/05 ASTRONOMIA E ASTROFISICA

Temi di ricerca

Una delle linee di ricerca della cosmologia osservativa e, in particolare, dell'astronomia in banda X consiste nello studio dei nuclei galattici attivi (AGN) oscurati, in particolare di quelli ad alto redshift, i quasar di tipo 2. Questo tipo di ricerca puo' essere condotto efficacemente tramite le survey in banda X e, negli ultimi anni, in banda infrarossa, la cui complementarieta' e` risultata evidente da studi recenti condotti con il satellite infrarosso Spitzer.  La popolazione di AGN oscurati e' rilevante per tutta una serie di problematiche di tipo cosmologico, in primis perche' queste sorgenti rivestono un ruolo chiave nella radiazione di fondo in banda X; inoltre, la maggior parte della densita` di energia nell'Universo legata a fenomeni di accrescimento su buchi neri super-massicci risiede in sorgenti X oscurate. Nonostante le indagini condotte negli ultimi anni con i satelliti Chandra ed XMM-Newton, rimane tuttora da definire il numero e le proprieta' di un gran numero di AGN molto oscurati, i cosiddetti Compton thick, per i quali l'elevato oscuramente impedisce tipicamente all'emissione nucleare primaria di essere vista in maniera diretta sotto i 10 keV. Una strategia osservativa e di selezione combinata X ed infrarossa costituisce probabilmente il modo migliore per rivelarli, anche ad alto redshift.
Altro argomento di notevole interesse e' relativo allo studio dei primi AGN che si sono formati nell'Universo, al fine di derivare le condizioni primordiali dell'Universo in cui questi oggetti si sono formati e porre vincoli sulla loro densita' ed evoluzione. Al momento, la conoscenza della popolazione di AGN ad alto redshift e' limitata agli oggetti piu' brillanti appartenenti a questa classe, a causa del flusso (magnitudine) limite di molte delle survey X (ottiche). Diversi modelli teorici prevedono che questi quasar ad alto redshift costituiscano solo una frazione modesta della popolazione di AGN che si sono formati quando l'eta' dell'Universo e' inferiore ad un miliardo d'anni. In tale ambito, a Bologna e' in corso una ricerca intensiva di AGN ad alto z ed una loro caratterizzazione multi-frequenza, fondamentalmente nei campi COSMOS e CDF-S. Inoltre, si ricercano AGN ad alto redshift nei campi di quasar luminosi a z~6, che dovrebbero essere al centro di aloni molto massivi di materia oscura. 


L'astrofisica delle alte energie e` stata contraddistinta, negli ultimi anni, da numerosi studi atti alla ricerca di AGN luminosi ed
oscurati ad alto redshift, i cosiddetti quasar di tipo 2 che, predetti dai modelli unificati, rivestono un ruolo importante anche per la modellistica del fondo cosmico in banda X (XRB). Ci sono evidenze che una frazione sostanziale (50-80%) della densita' di energia dell'Universo associabile all'accrescimento di materia sui buchi neri super-massicci (SMBH) avvenga in AGN oscurati. Inoltre,
dal confronto tra la frazione di XRB risolto sotto i 6 keV (80-90%) e quello ad energie 6-10 keV (50-60%) si puo' ipotizzare l'esistenza di un'ulteriore popolazione di AGN oscurati, probabilmente Compton thick (ossia con densita' di colonna >10^24 cm^-2), non ancora rivelati in maniera efficace dalle survey X, anche in quelle piu' profonde. Seppur complessivamente la banda X sia efficiente nel rivelare AGN oscurati, appare chiaro che un tale tipo di studio non possa essere condotto senza un'adeguata copertura multi-frequenza,
al fine di caratterizzare, da un punto di vista fisico e morfologico, gli AGN oscurati di cui sopra, e di stimare in maniera attendibile
quanti di questi oggetti vengano persi dalla survey condotte in un'unica banda (ad esempio quella X) per effetti di selezione. A tal proposito, l'avvento di survey X profonde su piccolo campo, insieme con quelle meno profonde ma su grande area condotte con i telescopi X Chandra ed XMM-Newton, ha permesso di approfondire molte delle tematiche relative allo studio di AGN oscurati
ad alto redshift. In maniera simile, recenti osservazioni con il telescopio spaziale Spitzer nel vicino e medio infrarosso hanno svolto un ruolo cruciale nel definire criteri di selezione di oggetti oscurati ad alto redshift alternativi a quelli offerti dalle survey in banda X. La panoramica che emerge e' che solo con un approccio multifrequenza (per esempio selezionando oggetti con alto rapporto medio-infrarosso/ottico) nei prossimi anni si riuscira' ad avere una visione piu' chiara ed ampia di questo rilevante tema astrofisico e cosmologico e una stima migliore delle proprieta` fisiche di questi AGN.
Nel campo della ricerca di AGN oscurati ad alto redshift, da studi recenti sta emergendo chiaramente che una frazione di questi possiede
colori molto rossi; con R-K>5, questi oggetti, chiamati Extremely Red Objects (EROs), sono contraddistinti da una frazione non trascurabile di nuclei attivi in cui all'estinzione in banda ottica/infrarossa si associa l'assorbimento in banda X. Data la buona qualita' dei dati (sia in banda ottica/infrarossa sia in banda X) per un numero elevato di questi oggetti, e' ora possibile effettuare studi sistematici e statisticamente rilevanti al fine di determinare quanti EROs siano effettivamente legati a fenomeni di accrescimento e quali siano le loro proprieta` di emissione; per gli oggetti piu' deboli in banda X, e' possibile, tramite una tecnica chiamata "stacking analysis", derivarne le proprieta' medie. Le implicazioni cosmologiche nello studio degli EROs sono molteplici, in primis il fatto che quelli che contengono un nucleo attivo rappresentano probabilmente una fase di co-evoluzione tra il SMBH (legato all'AGN) e la galassia ospite, responsabile di buona parte dell'emissione in banda ottica e nel vicino infrarosso.
Le proprieta' evolutive degli AGN rappresentano un altro argomento di forte impatto nell'astrofisica, non solo delle alte energie. Chiaramente gli AGN evolvono, pero' non e' ancora del tutto chiaro come questo avvenga e dipenda dalle condizioni dell'ambiente in cui gli AGN si trovano. A tal proposito, lo studio di AGN e quasar luminosi a redshift >4, quando l'Universo ha un'eta' inferiore ad un miliardo di anni, e' risultato una tematica particolarmente interessante degli ultimi anni. La radiazione X e' una caratteristica comune
alla maggior parte degli AGN ed e' rivelabile, grazie alla sensibilita` degli strumenti attuali a bordo dei telescopi Chandra ed XMM-Newton, fino ad alti redshift. Inoltre, il fatto che tale radiazione sia legata direttamente ai fenomeni di accrescimento, permette di studiare le regioni piu' interne degli AGN, fornendo dettagli sui meccanismi stessi di produzione dell'energia. L'attuale disponibilita' di grandi campioni di quasar, resa possibile soprattutto grazie alla Sloan Digital Sky Survey, permette studi sistematici delle proprieta` in banda X di tali oggetti in funzione del tempo cosmico, nonche' della luminosita' ottica/UV. Tali studi possono essere supportati da analisi dettagliate di campioni di oggetti locali tramite spettroscopia in banda X di quasar con dati XMM-Newton e Chandra. Questi ultimi studi permettono un dettaglio, nella definizione delle proprieta' fisiche di tali AGN e dei loro meccanismi di emissione, difficilmente possibili ad alto redshift prima dell'avvento dei satelliti X di prossima generazione quale la missione appena approvata dall'ESA Athena.