Sommario

Questa Tesi tratta dell'utilizzo di survey spaziali extragalattiche infrarosse come potente strumento per l'indagine astronomica. Più precisamente, essa tratta dello sviluppo di un nuovo metodo di riduzione e analisi dei dati (Metodo LARI) ottenuti da un satellite infrarosso (ISO), della sua applicazione ai dati ottenuti nell'ambito della più ambiziosa survey extragalattica realizzata con tale satellite (ELAIS), dei primi risultati scientifici ottenuti tramite tale applicazione, e infine delle possibili applicazioni di tali contributi tecnici e scientifici a un satellite infrarosso che ha recentemente iniziato ad operare (Spitzer) così come ad altre future missioni infrarosse. A testimonianza della natura particolarmente eterogenea delle conoscenze necessarie al successo di un progetto spaziale, la Tesi si colloca al crocevia tra discipline tecniche e scientifiche significativamente diverse tra loro, quali la fisica dei rivelatori, l'analisi dei segnali e delle immagini, l'ingegneria informatica, la formazione e l'evoluzione delle galassie e la cosmologia osservativa. Pur concentrandosi su di una particolare missione (ISO), si è cercato di inserire il lavoro svolto in una prospettiva "storica", con un occhio di riguardo sia per gli sforzi dei "pionieri" dell'astronomia infrarossa sia per le eccitanti prospettive che le missioni spaziali offriranno a questa disciplina negli anni a venire.

Capitolo 1 - Galassie nell'Infrarosso

Questo Capitolo descrive la regione spettrale infrarossa e le più importanti proprietà fenomenologiche delle galassie quando vengono osservate a tali lunghezze d'onda. Vengono introdotte la regione spettrale infrarossa, la sua divisione in vicino, medio e lontano infrarosso e le questioni dell'assorbimento e dell'emissione atmosferica a queste lunghezze d'onda. Sono discusse l'origine dell'emissione infrarossa nelle galassie, la sua relazione con le loro proprietà fisiche, il fenomeno dell'attività galattica di tipo Starburst e AGN. Infine vengono introdotti i principali risultati ottenuti da ISO nella caratterizzazione delle propietà delle singole galassie.

Capitolo 2 - Survey Extragalattiche ISO

Questo Capitolo discute le proprietà della vasta schiera di survey extragalattiche realizzate da ISO e descrive brevemente i loro principali risultati per quanto riguarda le proprietà statistiche delle galassie infrarosse. Viene discussa la rilevanza della scoperta della radiazione cosmica di fondo infrarossa per le survey di galassie infrarosse. Vengono poi presentati i parametri osservativi e il caso scientifico di tutte le survey extragalattiche ISO. Le proprietà statistiche delle galassie derivate da questi studi vengono discusse in termini di conteggi di sorgenti e di storia della formazione stellare cosmica. L'importanza di ELAIS come ponte tra la survey a tutto cielo di IRAS e le survey più profonde realizzate da ISO viene così sottolineata.

Capitolo 3 - Il Satellite ISO : Missione e Strumentazione

Questo Capitolo introduce il contesto tecnico della Tesi, discutendo gli aspetti più rilevanti della missione ISO, inclusi il satellite, la sua strumentazione e l'uso del suo strumento ISOCAM per l'acquisizione di immagini. Il design complessivo della missione, l'orbita, lo spacecraft, il telescopio, i quattro strumenti di piano focale (i due spettrometri ISOSWS e ISOLWS e le due camere ISOCAM e ISOPHOT) e le loro prestazioni sono riassunte brevemente. Lo strumento ISOCAM, i suoi rivelatori, il suo modo di operare e i modi osservativi a disposizione per l'acquisizione di immagini sono descritti in dettaglio.

Capitolo 4 - Il Metodo LARI per la Riduzione e l'Analisi di Dati ISO-CAM/PHOT

Questo Capitolo introduce il Metodo LARI, un nuovo metodo di riduzione e analisi delle immagini ottenute da ISO, e descrive le tecniche e gli strumenti sviluppati nel suo contesto come parte del lavoro di Tesi. L'ambiente spaziale nel quale ISO operò, l'elevato tasso di impatti di raggi cosmici a esso associato, i relativi problemi nella riduzione dei dati e i precedenti tentativi di sviluppare un affidabile metodo di riduzione delle immagini ISO sono riassunti. La necessità di un nuovo metodo interattivo di riduzione e analisi dati che produca cataloghi di sorgenti affidabili e completi a partire dalle survey ISO viene così delineata. Il nuovo approccio adottato dal Metodo LARI per trattare gli impatti di raggi cosmici e i "glitch" da essi introdotti nei dati è poi introdotto. Il Metodo LARI descrive la sequenza di letture, o storia temporale, di ciascun pixel dei rivelatori ISO-CAM/PHOT in termini di un un modello matematico del comportamento dei rivelatori e del rilascio delle cariche verso i contatti. Tale modello si basa sull'assunzione dell'esistenza, in ciascun pixel, di due riserve di carica, rispettivamente di vita breve e lunga, che evolvono indipendentemente con una diversa costante di tempo e che sono alimentate sia dal flusso di fotoni sia dai raggi cosmici. Tale modello è completamente conservativo, vale a dire che tutte le cariche generate all'interno di un pixel vengono infine rilasciate verso i contatti contribuendo al segnale, di modo che il segnale osservato, il flusso di fotoni incidenti e le riserve di carica evolvono secondo la stessa semplice equazione differenziale. Come parte del lavoro di Tesi il Metodo LARI è stato sostanzialmente migliorato ed esteso, in modo tale da poterlo applicare a immagini ottenute a diverse lunghezze d'onda e con diversi tempi di esposizione. Così facendo, lo si è trasformato in un potente strumento per la rivelazione di sorgenti deboli in immagini ISO-CAM/PHOT. Altrettanto importante è la possibilità di utilizzarlo, a differenza di altri metodi, in modo completamente interattivo, permettendo così di controllare facilmente l'affidabilità delle sorgenti rivelate. I principi alla radice del metodo che le nuove tecniche adoperate per affrontare le peculiarità dei dati ISO, il software sviluppato e il suo uso sono descritti in dettaglio. Infine, viene presentato il processo di ingegnerizzazione e testaggio del software che implementa il Metodo LARI che è stato affrontato come parte del lavoro di Tesi. Questo processo ha incluso la produzione del prototipo di un pacchetto software, il "LARI Package", e del relativo manuale utente. Come risultato, le tecniche adottate e il software sviluppato sono stati ampiamente testati e possono ora essere applicati a immagini ISO di particolare interesse. La riduzione di simili dati ottenuti da attuali e future missioni spaziali potrà pure beneficiare di queste tecniche, la cui possibile applicazione a survey realizzate da Spitzer viene descritta brevemente.

Capitolo 5 - ELAIS : la "European Large Area ISO Survey"

Questo Capitolo introduce ELAIS, la più ambiziosa survey extragalattica ISO, e il suo ruolo unico tra le altre survey realizzate dal satellite. Questa survey copre l'intervallo in flusso che divide la survey a tutto cielo di IRAS dalle survey ISO più profonde, ed è quindi un ingrediente fondamentale per una piena comprensione della storia della formazione stellare cosmica. Sono descritti gli obiettivi scientifici, la scelta dei campi, delle lunghezze d'onda e delle profondità a cui realizzare la survey, la pianificazione e l'esecuzione delle osservazioni ISO, le difficoltà nella riduzione dei dati e il vasto programma di osservazioni a diverse lunghezze d'onda intrapreso dal consorzio ELAIS per cercare di chiarificare la natura delle sorgenti rivelate nell'infrarosso. Grazie a tale programma, i campi ELAIS sono ora le aree del cielo meglio studiate tra quelle della loro dimensione, e scelte naturali per le survey a grande area che si vanno preparando con la più potente strumentazione a disposizione da terra e dallo spazio. Di qui la necessità di ridurre i dati ISO con la massima cura in modo da fornire un duraturo lascito da parte del progetto ELAIS alla comunità astronomica.

Capitolo 6 - "Final Analysis" delle Osservazioni ELAIS a 15 $\mu$m

Questo Capitolo descrive l'applicazione del Metodo LARI alle osservazioni ELAIS a 15 $\mu$m ottenute con lo strumento ISOCAM a bordo di ISO, un processo noto come "Final Analysis" ELAIS a 15 $\mu$m, quantificando la qualità del catalogo ottenuto. Prima sono riassunte le principali proprietà delle osservazioni ELAIS a 15 $\mu$m. Poi vengono descritte l'applicazione del software che implementa il Metodo LARI, il massiccio lavoro di riduzione e analisi interattiva, la produzione del catalogo di sorgenti e la valutazione della sua qualità, tutte attività che sono state svolte come parte del lavoro di Tesi. l'"ELAIS 15 $\mu$m Final Analysis Catalogue" contiene 1923 sorgenti con $S/N > 5$ nell'intervallo di flusso 0.5 - 100 mJy su di un'area di 10.85 deg$^2$, ed è il più numeroso catalogo di sorgenti extragalattiche prodotto da un singolo progetto ISO. Controparti ottiche alle sorgenti a 15 $\mu$m sono state determinate per circa l'$85\,\%$ del campione sulla base di un eterogeneo materiale osservativo. Le prestazioni raggiunte nella riduzione e nell'analisi dei dati sono state valutate effettuando una serie di dettagliate simulazioni e applicando il Metodo LARI ai dati simulati. Si sono così potute stimare l'affidabilità, la completezza, l'accuratezza astrometrica e fotometrica del catalogo. L'accuratezza astrometrica stimata è dell'ordine di 1 secondo d'arco sia in RA che in Dec per $S/N > 10$, mentre aumenta fino a circa 2 secondi d'arco sia in RA che in Dec per $S/N \sim 5$, ed è solo marginalmente migliore per sorgenti rivelate nelle regioni osservate più volte. L'accuratezza fotometrica stimata è migliore del 25% per tutte le sorgenti, e migliore del 15% per sorgenti con $S/N > 10$. Il confronto tra i flussi stellari misurati e i flussi stimati sulla base di modelli di atmosfere stellari calibrati su dati IRAS e su fotometria vicino-infrarossa ha permesso di studiare la calibrazione fotometrica relativa IRAS/ISO. Il fattore di calibrazione relativo IRAS/ISO risulta essere di $1.0974 \pm 0.0121$ e getta dei dubbi sulla bontà delle due calibrazioni, determinate indipendentemente, a livello del 10%. Non essendo possibile identificare errori evidenti nel processo di calibrazione IRAS e/o ISO, si è deciso di esprimere i flussi che appaiono nel nostro catalogo secondo la più comunemente usata scala di flusso IRAS. A ogni modo, se questa scelta è stata fatta per mantenere la compatibilità dei nostri risultati con gli studi che adottano la scala di flusso IRAS, e in particolare i conteggi di sorgenti e le funzioni di luminosità, essa non sta in nessun modo a indicare che la calibrazione IRAS è più sicura di quella ISO.

Capitolo 7 - Studi Multi-Banda di Sorgenti "Final Analysis" ELAIS a 15 $\mu$m

Questo Capitolo descrive i risultati del processo di identificazione multi-banda delle sorgenti "Final Analysis" ELAIS a 15 $\mu$m e una prima analisi scientifica di questi risultati, nei quali sono stato coinvolto come parte del lavoro di Tesi. Il processo di identificazione ottica e di discriminazione tra stelle e galassie, la cui affidabilità è critica per poi poter affrontare studi di campioni ben definiti di sorgenti extragalattiche, viene presentato per i campi N1 e N2, vale a dire gli unici campi ELAIS dove profonde immagini ottiche multi-banda sono attualmente disponibili grazie alla Isaac Newton Telescope Wide Field Survey. Nell'identificazione delle controparti ottiche alle sorgenti a 15 $\mu$m si è fatto uso del metodo del rapporto di verosimiglianza, valutando quantitativamente la probabilità di ciascuna possibile controparte di essere quella corretta e dando così la possibilità di discriminare automaticamente a questo riguardo. Tramite questo sofisticato processo, al $\sim 92\,\%$ delle sorgenti a 15 $\mu$m viene assegnata un'affidabile controparte, mentre il restante $\sim 8\,\%$ viene classificato come non-identificato. Grazie ai risultati del processo di identificazione ottica, esteso a includere le sorgenti radio ELAIS, è stato possibile realizzare un catalogo multi-banda che integra le osservazioni dei campi ELAIS a diverse lunghezze d'onda in modo coerente, l'"ELAIS Band-Merged Catalogue". La produzione del catalogo viene descritta in dettaglio, con particolare attenzione al processo di combinazione dei dati ottenuti a diverse lunghezze d'onda, e vengono elencate le informazioni contenute per ciascuna delle 3762 sorgenti del catalogo. La discussione delle proprietà fisiche delle popolazioni extragalattiche che appaiono nel catalogo viene condotta tramite l'analisi dei diagrammi colore-colore e delle distribuzioni in redshift del campione, delle distribuzioni spettrali di energia delle singole sorgenti e del numero di oggetti particolarmente rari. Per sorgenti extragalattiche osservate in 3 o più bande infrarosse, diagrammi colore-colore vengono presentati e discussi in termini di popolazioni extragalattiche presenti nel catalogo. Le distribuzioni spettrali di energia di una selezione di sorgenti del catalogo sono paragonate a modelli di cirro, Starburst di tipo M82 e Arp220, e toro di polvere di AGN. I redshift spettroscopici disponibili sono inclusi nel catalogo. Per le sorgenti nei campi N1 e N2, le profonde immagini multi-banda fornite dalla Isaac Newton Telescope Wide Field Survey permettono di stimare redshift fotometrici per galassie e quasar. Redshift fotometrici e spettroscopici sono in accordo entro l'incertezza con cui è possibile determinare i primi ($\sim 10$% in $(1+z)$). La distribuzione in redshift delle sorgenti rivelate nella quattro bande ISO viene discussa. Si riscontra un'alta percentuale di "Ultraluminous Infrared Galaxies" nel catalogo ($> 10 \%$ delle sorgenti a 15 $\mu$m), molte con colori simili ad Arp220. L'8% di sorgenti a 15 $\mu$m che sono non identificate nell'ottico devono avere alti rapporti tra il flusso infrarosso e quello ottico e probabilmente hanno $z > 0.2$, quindi sono Starburst polverosi di alta luminosità o AGN di Tipo 2. Il catalogo contiene anche 9 "Hyperluminous Infrared Galaxies". Il gran numero di "Ultraluminous Infrared Galaxies" implica una forte evoluzione nel tasso di formazione stellare tra $z=0$ e 1. Nel catalogo vengono inoltre identificati 9 "Extremely Red Objects" i cui flussi ottici e medio-infrarossi sono consistenti con il loro essere Starburst altamente estinti come Arp220 a $z \sim 1$. Il catalogo contiene infine 9 oggetti caratterizzati da un rapporto estremamente elevato tra il loro flusso medio- e vicino-infrarosso ( $f_\nu(15\,\mu\mathrm{m}) / f_\nu(2.2\,\mu\mathrm{m}) > 25$). Tali oggetti, denominati "Extreme Mid-to-Near Infrared Objects" (EMNOs), potrebbero appartenere a una nuova popolazione di AGN oscurati e forti Starburst polverosi a $z > 1$ non rivelata dalle survey ISO più profonde a causa della piccola area da loro coperta. Se questa potenziale scoperta venisse confermata, survey Spitzer come SWIRE sarebbero destinate a scoprire un gran numero di questi oggetti, che fornirebbero un'utile punto di vista sull'attività nucleare oscurata e sui fenomeni di formazione stellare ad alto redshift, in modo simile a come la scoperta degli "Extremely Red Objects" è stata usata per definire campioni di galassie dei primi tipi di Hubble ad alto redshift.

Capitolo 8 - Survey Extragalattiche Spitzer

Questo Capitolo passa in rassegna alcune delle principali caratteristiche del successore naturale di ISO, lo Spitzer Space Telescope, e sottolinea la rilevanza dei risultati ottenuti in questa Tesi per la sua missione. La missione e la strumentazione vengono passate in rassegna e gli obiettivi scientifici dello "Spitzer Legacy Science Program" vengono discussi. La più vasta porzione di quest'ultimo programma, la survey "Spitzer Wide-area InfraRed Extragalactic", o SWIRE, rassomiglia a ELAIS sia idealmente, essendo la più ambiziosa survey extragalattica a essere realizzata da Spitzer, e praticamente, visto che osserverà tre dei quattro principali campi ELAIS. Di conseguenza, sia gli strumenti tecnici prodotti che i risultati scientifici ottenuti come parte del lavori di Tesi saranno senza dubbio utili nell'affrontare le nuove sfide offerte da Spitzer all'astronomia extragalattica infrarossa.

Appendici

Le due Appendici contengono materiale che non ha trovato una collocazione appropriata nel corpo della Tesi, ma che si è ritenuto utile alla comprensione dei suoi risultati. L'Appendice A riproduce la bozza del manuale utente del "LARI Package", realizzato come parte di questa Tesi. Il manuale utente descrive lo scopo, i contenuti, l'installazione e la documentazione del software, e dà alcune informazioni sul suo uso. L'Appendice B riassume le più importanti survey extragalattiche infrarosse passate e future. Vengono presentati sia i tentativi di caratterizzare il cielo infrarosso prima di ISO che i progetti successivi a Spitzer ora in fase di sviluppo. I rispettivi limiti e punti di forza sono sottolineati, con un'enfasi sulla strumentazione adottata.