From ProtoClusters to Clusters in one Gyr: the swift ripening of the most massive structures of the Universe.

Il progetto Proto2Clusters indagherà sulla formazione dei sistemi più massicci dell'Universo, esplorando una fase critica in cui le strutture protocluster su larga scala collassano per formare i cluster di galassie virializzati osservati in epoche cosmiche successive. Con i loro ambienti estremi, i cluster di galassie offrono un'opportunità primaria per investigare domande fondamentali nell'astrofisica extragalattica: Qual è il ruolo dell'ambiente nel guidare l'evoluzione delle galassie? Qual è il ruolo della formazione stellare e dell'attività nucleare delle galassie nel plasmare le proprietà del mezzo intracluster? Qual è la connessione tra AGN su scale sub-parsec, popolazioni di galassie e la struttura su larga scala circostante su scale di centinaia o migliaia di chiloparsec? Sebbene un "quadro concordante" dell'evoluzione dei cluster fino a z~1 sia ora ampiamente stabilito, le fasi precedenti della loro formazione che collegano gli ambienti protocluster a z>2 e i cluster virializzati a z~1 sono molto più complesse, incerte e ancora controverse. Il nostro team si basa su un solido track record di lavoro collaborativo tra i membri del team che progettano e analizzano osservazioni multi-lunghezza d'onda e coloro che sviluppano modelli teorici all'avanguardia di struttura e formazione ed evoluzione delle galassie. Questa sinergia è cruciale per una corretta interpretazione, in un contesto cosmologico più ampio, della fase di transizione tra i protocluster e i loro discendenti massicci e virializzati osservati circa 1 Gyr dopo. Inoltre, l'approccio proposto ci permette criticamente di inquadrare le osservazioni uniche al centro del nostro progetto all'interno del contesto più ampio dei futuri survey di (proto)cluster. In particolare, il nostro team sfrutterà: 1) osservazioni multi-lunghezza d'onda del protocluster Spiderweb a z=2,16, l'unica struttura squisitamente coperta con dati da tutte le principali strutture, consentendo una caratterizzazione dettagliata senza pari tra strutture simili al suo redshift; 2) osservazioni multi-lunghezza d'onda dell'unico campione statistico attualmente disponibile di cluster molto massicci a z≳1,4, con una selezione approssimativamente basata sulla massa, non influenzata dalle galassie, e osservata omogeneamente con follow-up dedicati su strutture principali; 3) modelli teorici all'avanguardia dell'evoluzione delle galassie e della formazione della struttura, compresi sofisticati modelli semianalitici accoppiati a scatole cosmologiche di alta risoluzione e simulazioni cosmologiche idrodinamiche di singoli cluster massicci. I risultati di Proto2Clusters forniranno il primo studio completo delle fasi iniziali della virializzazione del mezzo intracluster (ICM) e dell'evoluzione guidata dall'ambiente delle galassie e degli AGN, attraverso la fase più trasformazionale della formazione dei cluster. La rilevanza di questo lavoro si estenderà ben oltre la durata del progetto, preparando il terreno per i prossimi survey di cluster e protocluster dalle strutture osservative della prossima generazione (ad es. Euclid, LSST, SPT3G, CMB-S4, Athena).

The Proto2Clusters project will investigate the formation of the most massive systems in the Universe, exploring a critical epoch when large-scale protocluster structures collapse to form the virialized galaxy clusters observed at later cosmic times. With their extreme environments, galaxy clusters offer a prime opportunity to investigate outstanding questions in extragalactic astrophysics: What is the role of environment in driving the evolution of galaxies? What is the role of galaxy star formation and nuclear activity in shaping the properties of the intracluster medium? What is the connection between AGN on sub-parsec scales, galaxy populations, and the surrounding large scale structure on scales of hundreds or thousands of kiloparsecs? While a "concordance picture" of the cluster evolution out to z~1 is now broadly established, the earlier phases of their formation bridging protocluster environments at z>2 and the virialized clusters at z~1 are far more complex, uncertain and still controversial. Our team builds on a solid track record of collaborative work between team members designing and analysing multi-wavelength observations and those developing state-of-the-art theoretical models of structure and galaxy formation and evolution. This synergy is crucial for a proper interpretation, in a broader cosmological context, of the transition phase between protoclusters and their massive and virialized descendants observed about 1 Gyr later. In addition, the proposed approach critically allows us to frame the unique observations at the core of our project within the broader context of forthcoming (proto)cluster surveys. Specifically, our team will take advantage of: 1) multiwavelength observations of the Spiderweb protocluster at z=2.16, the only structure exquisitely covered with data from all major facilities, allowing a detailed characterization unparalleled among similar structures at its redshift; 2) multiwavelength observations of the only currently available statistical sample of very massive clusters at z≳1.4, with an approximately mass-based, galaxy unbiased selection, and homogeneously observed with dedicated follow-ups on major facilities; 3) state-of-the-art theoretical models of galaxy evolution and structure formation, including sophisticated semi-analytical models coupled to high-resolution, large cosmological boxes and hydrodynamical cosmological simulations of individual massive clusters. Results from Proto2Clusters will provide the first comprehensive study of the initial phases of the virialization of the intra cluster medium (ICM) and of the environmentally-driven evolution of galaxies and AGNs, across the most transformational phase of cluster formation. The relevance of this work will extend well beyond the duration of the project, setting the stage for the forthcoming cluster and protocluster surveys from next generation observational facilities (e.g. Euclid, LSST, SPT3G, CMB-S4, Athena).