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Federico Marinacci

Ricercatore a tempo determinato tipo b) (senior)

Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi"

Settore scientifico disciplinare: FIS/05 ASTRONOMIA E ASTROFISICA

Temi di ricerca

Parole chiave: Simulazioni numeriche Simulazioni cosmologiche Formazione ed evoluzione delle galassie Dinamica del gas nelle galassie Processi di feedback Mezzo circumgalattico Accrescimento di gas Campi magnetici

Sono un esperto di simulazioni idrodinamiche di formazione delle galassie. Queste spaziano da simulazioni su piccola scala, che si focalizzano sull'indagare processi che sono essenziali per l'evoluzione galattica, a simulazioni cosmologiche su larga scala che descrivono l'evoluzione di grandi regioni dell'Universo. Sono anche membro di importanti collaborazioni internazionali (tra le quali i progetti Auriga e IllustrisTNG) che sono all'avanguardia nel campo delle simulazioni numeriche di formazione ed evoluzione delle galassie in ambito cosmologico. Infine sono un esperto nel progettare e sviluppare sofisticati codici numerici per applicazioni astrofisiche. Di seguito sono descritti alcuni dei più importanti risultati ottenuti nel mio lavoro di ricerca.

 

La connessione tra disco e alone nelle galassie a disco

Il mio lavoro di ricerca sul legame tra disco e alone in galassie simili alla Via Lattea si propone di rispondere alla domanda: in quale modo le galassie si procurano il gas necessario alla formazione stellare? Per rispondere a questa domanda fondamentale ho analizzato lo scambio di massa e impulso tra la corona calda cosmologica e le nubi fredde di gas espulse dal disco dal fenomeno di fontana galattica (gas extra-planare). Ho studiato l'interazione tra queste due fasi con simulazioni idealizzate di una nube di gas freddo che si mouve all'interno di un mezzo caldo e tenue con proprietà simili a quelle della corona. ueste simulazioni hanno mostrato che la condensazionde del gas della corona prevale sull'evaporazione della nube se la metallicità e la pressione della corona sono abbastanza grandi. Il tasso con il quale il gas caldo della corona si condensa è molto vicino al valore di 1 Msunyr-1 che è necessario ad alimentare la formazione stellare in galassie simili alla Via Lattea. Per quanto riguarda lo scambio di impulso, le simulazioni hanno mostrato  che questo processo è fortemente influenzato dal raffreddamento radiativo del gas. L'effetto netto è una riduzione dell'impulso trasmesso dal gas freddo a quello caldo in presenza di raffreddamento radiativo del gas. Questi risultati sono stati essenziali per sviluppare un contesto teorico per l'interpretazione dello stato dinamico della fase fredda del gas extra-planare, sia nella Via Lattea che in galassie esterne, e sono alla base di un modello che prevede con successo la cinematica degli assorbitori osservati nella parte della corona più vicina al disco della Via Lattea. Infine, questi risultati sono stati estesi da una dottoranda sotto la mia co-supervisione a sistemi differenti dalla Via Lattea includendo la conduzione termica nelle simulazioni. La conduzione termica rende la condensazione della corona più difficile in sistemi massicci e questo ha profonde implicazioni sulla loro evoluzione.


Formazione di galassie a disco

La formazione di galassie simili alla Via Lattea è una delle sfide maggiori da afforntare nelle simulazioni cosmologiche. Il mio contributo più importante in questa area di ricerca è stato la prima applicazione coronata da successo del codice a griglia mobile Arepo a questo complesso problema. Arepo è un codice idrodinamico per applicazioni cosmologiche che risolve le equazioni di Eulero su una griglia di Voronoi non strutturata. Il tratto distintivo di Arepo è che la griglia è libera di muoversi e cambiare la sua topologia con il movimento del fluido. Questo permette al codice ti adattarsi automaticamente ai cambiamenti di densità del gas, in modo simile ai codici di tipo Lagrangiano (SPH), conservando allo stesso tempo l'accuratezza dei codici a griglia nella risoluzione delle equazioni dell'idrodinamica. Con Arepo ho eseguito una serie di simulazioni cosmologiche di galassie simili alla Via Lattea. Qusete simulazioni hanno dimostrato l'abilità del codice di produrre galassie simulate in accordo con le osservazioni. Con le stesse simulazioni ho indagato le proprietà del mezzo circumgalattico (CGM) che circonda le galassie simulate. Mi sono focalizzato sul contenuto in metalli del CGM, una proprietà che può avere un impatto notevole sul tasso di raffreddamnto del gas e, in definitiva, regolare l'apporto di gas fornito al disco influenzando così la formazione stellare. Attualmente sono membro della collaborazione internazionale Auriga. Questo progetto ha lo scopo di estendere i risultati precedenti a un campione più numeroso di galassie simulate con simulazioni ancora più sofisticate. Nell'ambito del progetto Auriga ho analizzato il contenuto di idrogeno neutro delle simulazioni. Questa analisi è cruciale per lo studio dettagliato della cinematica del gas nelle galassie simulate attraverso la creazione di osservazioni sintetiche nella banda radio che possono venire direttamente confrontate con le osservazioni di galassie reali.

 

Campi magnetici nell'Universo

Uno dei filoni di ricerca nei quali sono attivo attualmente è lo studio della co-evoluzione tra i campi magnetici nell'Universo e le strutture che li contengono. Mi sono concentrato in particolare sull'amplificazione dei campi magnetici primordiali dovuta alla formazione delle strutture che popolano l'Universo. Ho iniziato questa ricerca con simulazioni cosmologiche di galassie simili alla Via Lattea. In tali simulazioni i miei collaboratori ed io abbiamo trovato che è possibile formare una galassia a spirale realistica che abbia allo stesso tempo la tipica intensità e topologia dei campi magnetici osservati in questi oggetti. Più di recente ho esteso questo studio a simulazioni cosmologiche su larga scala. In queste simulazioni ho mostrato come il raffreddamento radiativo e la turbolenza nel gas generata da processi di feedback stellare e da AGN siano essenziali per amplificare i deboli campi magnetici presenti all'inizio della simulazione fino alle intensità osservate negli oggetti che popolano attualmente l'Universo. Inoltre, gli stessi processi di feedback danno origine a campi magnetici che sono in accordo con le misure di rotazione di Faraday osservate. Con le stesse simulazioni ho anche analizzato l'influenza che i campi magnetici potrebbero potenzialmente avere sulle proprietà globali delle galassie e sulla distribuzione su larga scala del gas extra-galattico. Infine, sono un membro del progetto internazionale IllustrisTNG che ha come obiettivo principale quello di studiare i processi fisici che determinano l'evoluzoine delle galassie. Grazie al progetto IllustrisTNG, oltre che studiare l'amplificazione dei campi magnetici nell'Universo, sono stato in grado di analizzare le proprietà dell'emissione di sincrotrone predetta dalle simulazioni per gli ammassi di galassie, esplorando così ulteriormente il legame tra i campi magnetici e le strutture cosmiche.