The cosmic star formation rate: observational measurements and modelization

La mia Tesi di Dottorato si occupa dello studio della formazione stellare cosmica e delle galassie con formazione stellare (SFG), sia dal punto di vista osservativo che teorico. La formazione stellare è uno degli elementi chiave per comprendere la composizione e l'evoluzione delle galassie. Per identificare le galassie con formazione stellare è cruciale sfruttare informazioni multispettrali per ottenere una stima migliore del tasso di formazione stellare. La formazione stellare istantanea in una data galassia può essere stimata attraverso la misura di un indicatore collegato all'emissione da stelle giovani, massive e con vita breve. Tuttavia la maggior parte di questi indicatori sono affetti da forti incertezze. Va sottolineato che è possibile identificare le regioni di formazione stellare solo nelle galassie locali a causa della limitata risoluzione angolare strumentale, mentre per le galassie distanti è necessario affidarsi all'emissione totale di ciascuna galassia. Il mio lavoro scientifico si focalizza su due bande non affette da assorbimento, tipicamente una delle maggiori cause di incertezza, le bande X e radio. L'emissione X è principalmente associata alle binarie X di grande massa (HMXB), velocemente formate con la popolazione stellare di grande massa, mentre l'emissione radio è dovuta all'emissione termica di bremsstrahlung dalle nubi HII associate alle regioni di formazione stellare. Distinguere il segnale della formazione stellare da altri contributi ad alto redshift è complicato. Per studiare questo problema mi avvalgo dei più profondi dati disponibili, in una delle regioni del cielo più osservate, il Chandra Deep Field South (CDFS). La survey radio con il Very Large Array (VLA) telescope dell'Extended Chandra Deep Field South (E--CDFS), e le osservazione profonde in banda X, permettono di esplorare la possibilità di tracciare la passata storia di formazione stellare cosmica usando la combinazione di dati X e radio. Il nostro scopo è l'identificazione delle sorgenti la cui emissione è dovuta a formazione stellare nelle bande radio e X. Un'analisi spettrale completa delle controparti X delle sorgenti VLA, supportata dai redshift ottici disponibili, ci permette di caratterizzare le loro proprietà X, e ci fornisce una classificazione robusta di galassie con formazione stellare e AGN. L'identificazione delle sorgenti con emissione dominata da processi di formazione stellare è stata fatta per mezzo di molti criteri nelle bande radio e X.La forte correlazione della SFR con la luminosità hard X nel nostro campione di galassie ad alto redshift mostra che le survey X possono fornire uno strumento potente e indipendente per misurare la SFR istantanea nelle galassie distanti. Comunque i nostri dati indicano anche che la complessa fisica dietro l'emissione radio e X associata alla formazione stellare può introdurre una significativa dispersione nella relazione tra la SFR e $L_X$. La seconda parte della tesi si occupa della modellizzazione teorica di galassie starburst utilizzando modelli di evoluzione chimica. Il modello consiste di un modello a una zona dove la galassia si forma per accrescimento (infall) di gas primordiale (nessun metallo). Il gas forma stelle, che a loro volta arricchiscono il mezzo interstellare (ISM) con nuovi elementi. Le supernovae (SNe) rilasciano parte della loro energia nell'ISM e, se l'energia termica del gas così riscaldato super quella di legame del gas, si sviluppano dei venti che espellono principalmente i metalli. Il confronto con la SFR, il tasso di SN e la metallicità di galassie locali (M82) e ad alto redshift ci porta ai seguenti risultati: Le galassie starburst ad alto redshift sono galassie massive. Quelle di piccola massa possono essere osservate solo nell'universo locale; Uno scenario che prevede molti burst brevi e molto efficienti riproduce meglio la SFR osservata e le abbondanze chimiche; Un'alta formazione stellare ($\nu > 10$ Gyr$^{-1}$) produce venti efficienti e arricchiti in metalli, che espellono una frazione importante della massa; Il confronto dei modelli con la galassia starburst locale M82 mostra che la galassia è in una fase di burst corto ed efficiente ($\nu > 5$ Gyr$^{-1}$) e che una IMF diversa dalla Salpeter riproduce meglio i dati; Solo i modelli con più burst corti e altamente efficienti raggiunge l'alta formazione stellare osservata ad alto redshift. Questo suggerisce che stiamo osservando le fasi di burst di queste galassie, mentre i periodo più quiescenti sono sotto il flusso limiti di osservabilità.