Gravitational lensing at milliarcsecond angular resolution
Spingola, Cristiana
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Publication date: 2019
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Spingola, C. (2019). Gravitational lensing at milliarcsecond angular resolution. Rijksuniversiteit Groningen.
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Introduzione
In questa tesi abbiamo analizzato osservazioni ad altissima risoluzione angolare di lenti gravitazionali per rispondere ad alcune domande aperte che riguardano le scale più piccole nel processo di formazione delle galassie.
Le galassie sono i mattoni del nostro Universo e contengono stelle, gas, mate-ria oscura e buchi neri super-massicci. Secondo il modello attuale di formazione della strutture, la "costruzione" di una galassia è guidata da un processo gerar-chico di fusione, che è dominato dalla componente di materia oscura. Questo modello di formazione delle galassie (chiamato modello ΛCDM) ha avuto mol-to successo nello spiegare la struttura su larga scala dell’Universo, ma presenta diversi problemi su scale galattiche e sub-galattiche.
Ad esempio, questo modello prevede che una numerosa popolazione di galas-sie satelliti poco massicce, dominate dalla materia oscura, sopravviva al processo di fusione. Tuttavia, il numero di satelliti che dovrebbero orbitare intorno alla Via Lattea secondo il modello ΛCDM è molto diverso dal numero osservato di galassie satelliti nel Gruppo Locale. Per mitigare questa tensione è, quindi, ne-cessario osservare e quantificare i possibili satelliti poco luminosi sia all’interno che all’esterno del Gruppo Locale e verificare che le loro proprietà siano coerenti con quanto previsto dal modello ΛCDM.
Un altro test chiave per determinare se l’evoluzione delle galassie segue le aspettative del modello ΛCDM riguarda il gas molecolare freddo presente nelle galassie. Il processo di formazione gerarchico prevede che i resti di una fusio-ne tra due o più galassies abbiano una compofusio-nente centrale interna (< 1 kpc) che formi attivamente stelle, immersa in una grande quantità di gas molecolare. Tuttavia, la distribuzione spaziale del gas molecolare freddo è difficilissima da osservare ad alto redshift, in quanto la ridotta brillanza superficiale di questo gas richiede osservazioni molto profonde ma contemporaneamente ad alta risoluzione angolare.
Figura 8.1: (In alto) Rappresentazione schematica delle varie componenti coinvolte in una forte configurazione di lenti gravitazionali, come una sorgente di fondo, una galassia "lente", le immagini multiple (che in questo caso sono estese, creando archi gravitazionali) e l’osservatore (sulla Terra). Copyright: R. Schulz. (In basso) Immagine radio ad alta risoluzione angolare della lente gravitationale MG J0751+2716 (Capitolo 2, Spingola et al. 2018.)
Inoltre, una conseguenza del processo gerarchico è la creazione di buchi neri super-massicci (SMBH) al centro di praticamente tutte le galassie. Una impli-cazione intrigante di questo modello di formazione delle strutture è l’inevitabile formazione di sistemi binari di SMBHs. Anche se il numero limitato di sistemi bi-nari SMBHs a basso redshift sembra essere in accordo con le aspettative teoriche del modello ΛCDM, è difficile ottenere un campione statisticamente significativo di SMBHs binari ad alto redshift che può essere utilizzato per distinguere tra i possibli processi di formazione dei buchi neri. Pertanto, non è ancora chiaro come si formino i SMBHs.
Lenti gravitazionali e VLBI
Per rispondere alle questioni aperte sopra esposte nel modello di formazione del-le galassie, i test più importanti per il modello ΛCDM si basano suldel-le proprietà delle galassie su scala del kpc e sub-kpc. Pertanto, è necessario ottenere informa-zioni dettagliate sulla distribuzione della materia oscura nelle galassie, risolvere spazialmente il gas molecolare e la componente stellare. Inoltre, per capire come l’evoluzione delle galassie sia regolata dai Nuclei Galattici Attivi (AGN), è fon-damentale osservare galassie nel periodo cosmologico in cui sia i SMBHs che la formazione stellare erano estremamente attivi. In questa tesi, affrontiamo questi problemi che riguardano le piccole scale del modello ΛCDM unendo immagini ottiche, infrarosse e radio ad altissima risoluzione angolare al potere risolutivo delle lenti gravitazionali.
Secondo la teoria della relatività generale, la traiettoria dei raggi di luce è di-storta in presenza di un campo gravitazionale. Quindi la presenza di materia può generare una distorsione gravitazionale dello spazio-tempo e, di conseguenza, i raggi di luce che passano vicino a tale materia possono essere deviati, producendo più immagini della stessa sorgente di sfondo (Fig. 8.1). Questo effetto di lensing gravitazionale consente di determinare la distribuzione totale della materia (sia barionica che oscura) in galassie lontane, ma contemporaneamente ci offre anche una visione ad alta risoluzione su gas, stelle e AGN nelle sorgenti di sfondo, che si trovano ad alto redshift.
Alle lunghezze d’onda della banda radio è possibile ottenere un’alta riso-luzione angolare utilizzando gruppi di antenne che, se correlate tutte insieme, agiscono come se fossero un singolo radiotelescopio di diametro uguale alla loro distanza. Il processo di correlazione coerente di queste antenne singole è chiama-to interferometria. Una proprietà importante di questa tecnica di osservazione è la possibilità di collocare le antenne in diversi continenti, da cui il nome "in-terferometria a distanza molto lunga" (very long baseline interferometry, VLBI),
sub-milliarcosecondo alle lunghezze d’onda centimetriche.
In questa tesi abbiamo utilizzato osservazioni radio ottenute con gli interfe-rometri Very Large Array (VLA), Very Long Baseline Array (VLBA) e global VLBI array. Abbiamo integrato le osservazioni radio con osservazioni ottiche e infrarosse ottenute con il telescopio spaziale Hubble (HST) e il telescopio ad ottiche adattive Keck.
Riassunto dei risultati principali
Nel Capitolo 2 presentiamo osservazioni profonde a 1.65 GHz ottenute con il glo-bal VLBI array della galassia attiva MG J0751+2716, la cui morphologia appare distorta a cause dell’effetto di lensing gravitazionale. La sorgente di sfondo si trova ad un redshift di z = 3.2 ed è gravitazionalmente distorta da un gruppo di galassie a redshift z = 0.35. La visione distorta dei getti radio consiste in quattro spettacolari archi gravitazionali spazialmente estesi (Fig. 8.1). Le osservazioni global VLBI ad alta risoluzione di questi archi gravitazionali hanno fornito un numero elevato di vincoli al modello di massa delle galassie lenti, perciò abbiamo potuto studiare possibili deviazioni da una distribuzione di massa uniforme su piccole scale angolari. Il risultato principale del Capitolo 2 consiste nella misura-zione di piccole deviazioni tra le posizioni osservate e quelle previste dal modello di massa delle immagini multiple della sorgente di sfondo, con un valore medio posizionale dell’ordine di 3 mas, che è molto più grande degli errori intrinseci di misurazione. Queste anomalie astrometriche indicano che il modello non è rap-presentativo dei dati e per risolvere queste anomalie astrometriche è necessario aggiungere massa al modello. Tuttavia, questa ulteriore massa non può essere attribuita inequivocabilmente a, per esempio, una popolazione di satelliti poco massicci all’interno della galassia lente principale, come ci si aspetta nel modello ΛCDM. Infatti le anomalie astrometriche potrebbero essere dovute anche a una distribuzione di massa molto complessa all’interno del gruppo di galassie o a del materiale che si trova lungo la linea di vista.
Nel Capitolo 3, presentiamo l’analisi di dati fotometrici e spettroscopici a più lunghezze d’onda per le sorgenti gravitazionalmente distorte MG J0751+2716 e JVAS B1938+666, che mostrano anche elevati tassi di formazione stellare stimati da osservazioni nel lontano infrarosso. Il set di dati è costituito da osservazio-ni radio sia del continuo che in riga CO (1–0) con il VLA, osservazioosservazio-ni ottiche con il telescopio spaziale HST e osservazioni infrarosse ottenute con il telecopio ad ottiche adattive Keck. Dopo aver corretto l’effetto di distorsione dovuto alla presenza delle rispettive lenti gravitazionali, abbiamo ricostruto la distribuzione
spaziale del gas molecolare, della componente stellare e dei getti degli AGN su scale delle centinaia di pc. Entrambe le sorgenti mostrano una componente stel-lare centrale compatta e dei getti radio poco estesi, immersi all’interno di una notevole quantità di gas molecolare, che si estende tra i 5 e i 15 kpc. I campi di velocità mostrano strutture distinte, che possono essere associate a dischi (gra-dienti di velocità allungati) e forse oggetti in interazione (componenti di velocità fuori asse). Questa ricostruzione morfologica e spettroscopica delle due sorgenti MG J0751+2716 e JVAS B1938+666 supporta lo scenario in cui gli AGN e le galassie si formano attraverso un processo gerarchico, il quale giustifica anche la presenza di grandi quantità di gas in entrambe le sorgenti.
Nel Capitolo 4, riportiamo la prima osservazione di moti propri in un siste-ma di lensing gravitazionale visibile nel radio (MG B2016+112), con lo scopo di studiare le proprietà dei SMBH. Unendo il potere risolutivo del VLBI a quello del lensing gravitazionale, è stato possibile misurare moti propri ad alto redshift (z = 3.2773) con una precisione di 1 mas yr−1 nel piano della lente. Una volta effettuata la correzione per la distorsione dovuta alla presenza di due lenti gra-vitazionali, abbiamo ricostruito la complessa morfologia di questo AGN, che è molto distante e poco luminoso. Le proprietà di questa sorgente possono essere interpretate in due modi diversi. La prima interpretazione consiste in un AGN singolo, in cui il movimento osservato può essere attribuito a degli shock che si propagano lungo getto e contro-getto dell’AGN; un fenomeno osservato molto spesso negli AGN. Tuttavia, le densità di flusso corrette per la distorsione dovuta al lensing sembrano essere in contrasto con questa interpretazione, implicando la presenza di un AGN estremamente inusuale. Il secondo possibile scenario con-siste in due distinti AGN, separati da ∼175 pc in proiezione, ciascuno con un proprio getto. In questo scenario, suggerito principalmente dallo strano movi-mento di una componente con indice spettrale di sincrotrone piatto, i due AGN orbitano l’uno intorno all’altro, formando un sistema binario. Per confermare una delle due plausibili interpretazioni sono necessarie ulteriori osservazioni sia fotometriche a più lunghezze d’onda che spettroscopiche.
Nel Capitolo 5 presentiamo la prima ricerca di lenti gravitazionali utilizzando la survey wide-field ottenuta con osservazioni VLBI mJIVE-20. Partendo diret-tamente dalle osservazioni VLBI della survey mJIVE-20, è stato possibile saltare diversi passaggi nel selezione delle sorgenti che potrebbero essere gravitazional-mente distorte, rendendo questa ricerca molto efficiente da un punto di vista osservativo. Per esempio, tra le quattordici sorgenti selezionate come possibili sistemi di lensing gravitazionale, due sono una riscoperta delle note lenti gravita-zionali CLASS B1127+385 e CLASS B2319+051. Questa riscoperta fornisce una prova immediata del fatto che il nostro metodo di selezione è efficiente nel trovare
tari delle dodici sorgenti rimanenti, volte a verificare che la distribuzione spettrale di energia e la brillanza superficiale delle singoli componenti fossero compatibi-li con l’ipotesi di sorgenti distorte gravitazionalmente, sono state eseguite con l’interferometro VLBA a 4.1 e 7.1 GHz. Il successivo processo di selezione ha identificato una sola sorgente considerabile gravitazionalmente distorta; tuttavia ulteriori osservazioni sono necessarie per comprendere la vera natura di questo sistema. Date le due lenti gravitazionali confermate nelle sorgenti della survey mJIVE-20, abbiamo stimato un lensing rate di 1 : (318 ± 225) per un campione statistico di 635 sorgenti radio osservate su scale del milliarcosecondo. Questo risultato è coerente con le precedenti ricerche di lenti gravitazionali alle lunghezze d’onda radio.
Prospettive future
La prossima generazione di telescopi nel radio e nell’ottico, come lo Square Ki-lometer Array (SKA), Euclid e il Large Synoptic Survey Telescope (LSST), per-metteranno la scoperta di circa 105 lenti gravitazionali sia compatte che estese. Queste indagini forniranno, quindi, un ampio campione di sorgenti per studi dettagliati di singoli sistemi gravitazionali con i telescopi SKA-VLBI, European Extremely Large Telescope (E-ELT) e Atacama Large Millimeter Array (AL-MA). Seguendo la metodologia di ricerca descritta nel Capitolo 5, sarà possibile identificare facilmente lenti gravitazionali nelle future survey radio, a condizione che siano disponibili anche altre osservazioni complementari a più frequenze.
Con un numero così elevato di sorgenti radio con lenti gravitazionali, di cui alcune con una eventuale struttura estesa, sarà possibile vincolare statisticamente la distribuzione di massa delle lenti gravitazionali su scale sub-kpc, come svolto nel Capitolo 2. Inoltre, le osservazioni multi-banda fornite dai telescopi SKA, Euclid e LSST saranno importanti per indagare le proprietà di sorgenti gravita-zionalmente distorte, come, per esempio, nel caso dei due sistemi gravitazionali analizzati nel Capitolo 3. Infine, le future survey della prossima generazione di telescopi permetteranno di trovare sistemi di lenti gravitazionali rari, come MG B2016+112, la sorgente studiata nel Capitolo 4. I futuri telescopi forniranno una visuale dettagliata senza precedenti su un gran numero di lenti gravitazionali, le quali saranno importanti per comprendere a fondo la formazione e l’evoluzione delle galassie sulle più piccole scale angolari.
