Astrofisica multimessenger delle Alte Energie
Staff
Denis Bastieri, Elisa Bernardini, Eugenio Bottacini, Giovanni Busetto, Stefano Ciroi, Alessandro De Angelis, Michele Doro, Mose’ Mariotti, Giampiero Naletto, Elisa Prandini, Riccardo Rando,
Ricercatori postdoc
Cornelia Arcaro, Ivana Batkovic, Michele Fiori, Sarah Mancina, Davide Miceli, Alessia Spolon
Dottorandi
Ivana Batkovic, Caterina Boscolo Meneguolo, Luca Crepaldi, Luis Recabarren, Giuseppe Silvestri, Ilaria Viale, Amelia Vietri
Collaboratori
Marine Pihet (Master Student Erasmus), Arshia Ruina (Postdoc INFN), Luca Zampieri (INAF OAPD)
Attività di ricerca
Le nostre attività di ricerca sono rivolte allo studio dei fenomeni astrofisici di energia più elevata che sono all’origine dell’emissione di particelle ultra-relativistiche chiamate collettivamente raggi cosmici. Tale emissione è principalmente riconducibile a onde di shock generate attorno ad oggetti compatti sia di natura galattica (pulsar, micro-quasar, resti di supernova) che in oggetti extragalattici (nuclei galattici attivi) in cui elettroni e protoni sono accelerati ad energie anche superiori al PeV. Successive interazioni con campi magnetici, particelle o radiazione, genera a sua volta forti segnali gamma (cioè radiazione al di sopra del MeV) che vengono rivelati sulla terra o da satelliti in orbita attorno ad essa.
Il gruppo partecipa fin dalle fasi iniziali a collaborazioni internazionali per esperimenti nel campo della gamma astronomia quali il satellite Fermi (https://fermi.gsfc.nasa.gov/), in orbita dal 2008, e il telescopio MAGIC (https://magic.mpp.mpg.de/) presso l'osservatorio Roque de los Muchachos alle isola Canarie. È inoltre attiva una partecipazione all'esperimento/osservatorio IceCube (https://icecube.wisc.edu) in Antartide dedicato alla rivelazione di neutrini. Siamo inoltre impegnati nello studio di cataloghi di sorgenti cosmiche nella regione dei raggi X, volto a identificare e caratterizzare nuove sorgenti, e nelle osservazioni ottiche di varie sorgenti extragalattiche, anche finalizzate a determinarne la distanza.
Il nostro lavoro ha una forte componente di collaborazione internazionale, con collaborazioni in tutti i continenti.
Per quanto riguarda la strumentazione futura, stiamo partecipando alla costruzione del futuro Cherenkov Telescope Array (https://www.cta-observatory.org/) e alla progettazione dell'esperimento SWGO (https://www.swgo.com/), un sistema di rivelazione di raggi gamma con grande angolo di vista, da collocare ad alta quota sulle Ande sudamericane; siamo inoltre impegnati nel design di nuovi possibili satelliti dedicati ad esplorare la radiazione elettromagnetica alle energie gamma (e-Astrogam, Amego). Il nostro gruppo partecipa anche allo sviluppo di una nuova missione alle energie X fino al MeV denominata GECCO, acronimo per Galactic Explorer with a Coded Aperture Mask Compton Telescope.
Le linee di ricerca specifiche sono:
Tecnologica
Il nostro gruppo partecipa allo sviluppo di rivelatori di ultima generazione per l'osservazione di sorgenti astrofisiche.
Per l'osservazione da terra sono necessari rivelatori di luce (visibile e vicino-UV) sensibili al singolo fotone. Nei nostri laboratori presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova sviluppiamo e testiamo rivelatori di nuova generazione basati principalmente su fotomoltiplicatori al silicio. Seguendo un approccio a 360 gradi progettiamo e studiamo anche le guide di luce e ottica (tra cui specchi riflettenti), nonché l'elettronica di lettura connessa.
I rivelatori sono poi installati nei principali osservatori esistenti per essere testati in condizioni realistiche.
I rivelatori utilizzati per l'osservazione dei raggi gamma dallo spazio ricordano quelli sviluppati per la fisica delle alte energie: tracciatori in silicio, calorimetri, ecc. Abbiamo partecipato al disegno, all'assemblaggio e alla qualifica di strumenti esistenti (ad es. Fermi-LAT) e siamo in prima linea nel definire le attuali proposte per le missioni di nuova generazione (e-Astrogam, AMEGO, GECCO).
L'attività strumentale ha un lato “software”, con la progettazione dei nuovi rivelatori e la loro caratterizzazione tramite simulazioni, e un lato “hardware”, in cui testiamo prototipi di sensori, di elettroniche di lettura e di sistemi di acquisizione dati.
Contatti: Mosè Mariotti, Riccardo Rando, Eugenio Bottacini
Buchi neri e getti relativistici in nuclei galattici attivi
Recenti osservazioni astronomiche sembrano sempre più confermare l'idea che numerose galassie ospitino al loro centro un buco nero supermassiccio di massa miliardi di volte la massa del nostro Sole, formatosi attraverso fusioni (merging) di buchi neri di dimensione inferiore, come recentemente osservato da esperimenti di onde gravitazionali. Il nucleo di queste galassie, denominate galassie attive (AGN - active galactic nuclei), mostrano uno spettro di emissione e assorbimento molto complesso, generato dalla sovrapposizione dell'emissione di origine non-termica di diverse componenti quali il disco di accrescimento e le nubi orbitanti sia nelle vicinanze del buco nero che lontano da esso, in aggiunta alla componente termica. Circa il 10% delle galassie attive mostra inoltre la presenza di un getto di particelle relativistiche altamente collimato che si estende per migliaia di anni luce. Nel caso dei Blazar, il getto è rivolto lungo la linea di vista e investe l’osservatore.
Scopo del nostro gruppo di ricerca è quello di caratterizzare le condizioni fisiche presenti nel getto degli AGN tramite lo studio dell'emissione elettromagnetica di questi oggetti, in particolare di quelli che raggiungono le energie più estreme.
Contatti: Elisa Prandini, Elisa Bernardini
Meccanismi radiativi in oggetti galattici
All’interno della nostra galassia, vi sono numerosi sistemi formati da un oggetto cosiddetto compatto, ovvero una stella di neutroni, o un buco nero, e da una stella compagna che viene lentamente e inesorabilmente risucchiata. Questi due oggetti ruotano attorno al centro di massa in orbite ellittiche e in alcune situazioni il flusso di materia accende due “getti” di radiazione e materia relativistica, secondo un meccanismo non ancora noto, ma ampiamente studiato. La natura di questi getti è simile, ma in miniatura, rispetto ai getti di nuclei di galassie attive, e per questo, i getti galattici relativistici sono di grande interesse. La radiazione gamma – che è immagine dei fenomeni di più alta energia all’interno del sistema binario – è un ottimo canale di investigazione di questi fenomeni.
Contatti: Luca Zampieri, Alessia Spolon
Neutrini astrofisici di alta energia
I neutrini, particelle elettricamente neutre praticamente prive di massa, rappresentano messaggeri unici ed in grado di fornire informazioni sugli eventi astrofisici più violenti ed estremi, quali esplosioni stellari, gamma- ray burst ed eventi cataclismici che coinvolgono buchi neri e stelle di neutroni.
I telescopi di neutrini sono concepiti per la rivelazione di queste particelle che interagiscono con la materia esclusivamente mediante la forza debole. Così come per i fotoni, la direzione di volo ricostruita dal telescopio permette l'associazione del neutrino a potenziali sorgenti cosmiche.
Il telescopio di neutrini IceCube è il primo rivelatore del suo genere, studiato e realizzato per osservare il Cosmo dalle profondità del ghiaccio antartico al Polo Sud, alla profondità di circa 2 chilometri dalla superficie, dove l'estrema trasparenza del ghiaccio permette a un reticolo di oltre 5000 fotorivelatori la rivelazione della luce prodotta nelle interazioni originate dai neutrini.
Nel 2013 l’esperimento IceCube ha rivelato l’esistenza di neutrini cosmici di alta energia, superiore ad alcune decine di TeV, aprendo una nuova finestra osservativa sull’Universo. Nel 2017 è stata identificata la prima possibile sorgente di neutrini cosmici, la blazar TXS 0506+056, osservata in uno stato peculiare di emissione elettromagnetica in coincidenza con un neutrino di alta energia. Questa è considerata la prima osservazione multi-messaggera di un neutrino di alta energia e fotoni e ha coinvolto più di 100 astronomi e 18 strumenti. Nel 2022 è stata identificata la seconda sorgente di neutrini astrofisici di alta energia, la galassia seyfert II NGC 1068.
La rivelazione di neutrini associati ai getti di sorgenti cosmiche e la comprensione della loro natura e dei meccanismi di produzione potrà portare nuova luce sull'origine dei raggi cosmici di altissima energia. È dunque di estrema importanza l'osservazione contemporanea di neutrini e fotoni di alta energia, che può avvenire da parte di telescopi diversi. In questo senso risulta fondamentale la realizzazione di sistemi di allerta tra diversi osservatori astronomici che permettano l'osservazione della stessa sorgente non appena venga segnalata un'attività eccezionale. Oltre allo studio multi-messaggero degli eventi astrofisici più estremi dell'Universo, importanti risultati sono oggetto di studio nell’ambito dell’astrofisica neutrinica, spaziando dallo studio dei meccanismi di esplosione di stelle massicce nelle cosiddette Supernove, lo studio della natura della Materia Oscura fino alle proprietà stesse dei neutrini e lo studio di fenomeni di Fisica oltre il Modello Standard.
Contatto: Elisa Bernardini
Nuova Fisica e Fisica fondamentale
La radiazione cosmica di alte energie apre la frontiera dell’osservazione di diversi fenomeni di nuova fisica e di fisica fondamentale. Ciò è dovuto al fatto che in ambienti astrofisici si raggiungono energie di gran lunga superiori a quelle attualmente raggiungibili nei laboratori terrestri; inoltre, le immense scale di distanza e tempi possono amplificare fenomeni di piccola intensità che attualmente in laboratorio non sarebbero osservabili. Ad esempio, radiazione gamma di alta energia è prevista in processi di annichilazione o decadimento di materia oscura di tipo WIMP (weakly interacting massive particles). Nuove particelle come gli assioni (ALP, axion like particles) possono interagire in campi magnetici e influenzare la propagazione di raggi gamma, generando particolari caratteristiche spettrali osservabili da terra o nuovi decadimenti. Diverse teorie prevedono la violazione della invarianza di Lorentz della velocità della luce e possono essere testate attraverso ritardi temporali nell’arrivo di fotoni di elevata energia. In linea di principio ogni nuova particella esotica o stato (monopoli magnetici, agglomerati di quark, etc.) è spesso associata a radiazione gamma. Infine, anche target esotici come buchi neri primordiali fanno parte delle possibili ricerche in questo settore.
Contatti: Michele Doro, Alessandro de Angelis
Survey ad alte energie
Le survey del cielo generano i dati di base per l’astronomia. Esse sono usate per mappare sistematicamente l’universo ed i suoi costituenti e per scoprire nuovi oggetti celesti e nuovi fenomeni. Specialmente le survey ad alte energie sopra i 15 keV rivelano la radiazione non termica che a sua volta permette uno sguardo nel profondo dei meccanismi di emissione delle sorgenti rivelate. Nonostante ciò, la rivelazione di nuove sorgenti è ancora difficile, fatto dovuto alle limitazioni delle attuali missioni. Per superare queste limitazioni, traiamo dei vantaggi dell’uso combinato della missione INTEGRAL (ESA) e della missione Swift (NASA) per trovare nuove sorgenti extragalattiche e sorgenti galattiche. Usiamo tali sorgenti per studiare l’evoluzione cosmologica dei nuclei galattici attivi, la formazione di buchi neri supermassici nell’universo primordiale, e per scoprire fenomeni nuovi. Facendo uso di osservazioni compiute con missioni alle alte energie con campo di vista più stretto (p.e. NuSTAR) misuriamo e studiamo gli effetti relativistici dovuti alla gravità di buchi neri supermassici rotanti.
Contatto: Eugenio Bottacini
Studio multifrequenza di nuclei galattici attivi
I nuclei galattici attivi (AGN) sono fra le poche sorgenti cosmiche in grado di emettere fotoni a tutte le frequenze, dalle onde radio fino ai raggi gamma, e sono gli oggetti non-transienti più luminosi dell'Universo, tanto brillanti da essere visibili fino a distanze molto grandi. L'origine di questa immensa luminosità è principalmente un disco di materia che accresce su un buco nero supermassiccio. Convertendo in luminosità l'energia gravitazionale della materia che cade verso il buco nero, viene emessa una grande quantità di radiazione che può essere osservata. Sebbene questi oggetti possano apparire molto diversi fra loro, ed essere classificati in diverse categorie (galassie di Seyfert, quasar, radiogalassie, blazar), grazie ai modelli di unificazione oggi sappiamo che queste sorgenti sono riconducibili tutte allo stesso tipo di oggetto e alla presenza o meno di un getto di plasma accelerato a velocità relativistiche dal campo magnetico in prossimità del buco nero. Nonostante negli anni molto sia stato appreso su questi oggetti e sui fenomeni fisici estremi che li caratterizzano, molti aspetti restano ancora poco compresi. L'origine e la dinamica del gas ionizzato che si osserva a grandi distanze dal buco nero in molti AGN, ad esempio, sono ancora incerte. Allo stesso modo, come gli AGN evolvano nel tempo, come i getti di materia si originino in prossimità del buco nero, quali fenomeni fisici siano in atto a queste alte energie, e come l'AGN interagisca con la galassia che lo ospita, sono tutti punti ancora da chiarire. Il nostro gruppo di ricerca si occupa di tutti questi aspetti, principalmente per mezzo della spettroscopia ottica, ma anche osservando i nuclei galattici attivi ad altre frequenze come radio, raggi X e raggi gamma. Oltre all'acquisizione di nuovi dati con numerosi telescopi, tra cui quelli degli osservatori di Asiago, ci occupiamo dell'analisi dei grandi archivi di dati presenti sul web, come quelli della Sloan Digital Sky Survey o della 6 Degree Field Survey, che permettono di reperire innumerevoli informazioni su questo tipo di oggetti.
Contatto: Stefano Ciroi
Cosmologia osservativa
L’Astrofisica delle Alte Energie ha profondi legami con la Cosmologia. Un interesse particolare riveste il fenomeno dell’interazione fotone-fotone, tra quelli di alta energia prodotti dalle sorgenti cosmiche e i fondi di radiazione extragalattica e cosmologica (Cosmic Microwave Background CMB, l’EBL), con la conseguente produzione di coppie elettrone positrone. Questo fenomeno causa un caratteristico effetto di opacità cosmica per i fotoni di alta energia, con una sezione d’urto massima ove il prodotto delle energie dei fotoni interagenti equivalga al quadrato della massa-energia di un elettrone, 511 KeV, ovvero secondo la regola lambda [micron] = energia [TeV]. Dunque, fotoni di oltre 100 TeV sono osservabili solo dall’interno della Galassia, fotoni di 10-50 TeV interagiscono con il fondo nel lontano IR, quelli attorno al TeV con il fondo nell’ottico-UV. Le osservazioni spettrali di Blazar, in particolare, a diversi redshift e l’identificazione dell’assorbimento nello spettro forniscono dunque uno strumento di straordinario interesse per vincolare l’intensità e l’energia delle radiazioni di fondo alle varie epoche cosmiche. Tali radiazioni, che rappresentano il record integrato di tutti i processi di produzione di energia da sorgenti cosmiche tra ora e il Big Bang, non sono quasi mai osservabili direttamente in quanto soverchiate dai fondi locali (luce Zodiacale, emissione di polveri interplanetarie, emissioni della Galassia), pertanto l’osservazione indiretta tramite l’effetto fotone-fotone risulta cruciale.
Una di queste componenti radiative di particolare interesse riguarda le sorgenti responsabili per la re-ionizzazione cosmica a z=10 con fondo residuo nel vicino IR, per il quali l’osservazione al TeV di Blazar a z>1 fornirà a breve interessanti vincoli, se non misure. Oltre a ciò, lo studio di campioni Blazar su un ampio intervallo di redshift permetterà di porre vincoli decisivi sulla storia evolutiva delle principali sorgenti cosmiche, galassie lontane e Nuclei Galattici Attivi (AGN), dominati rispettivamente da produzione di energia per bruciamento termonucleare in stelle e per accrescimento gravitazionale negli AGN. Altro tema di interesse per il sottogruppo saranno gli studi statistici di popolazioni di sorgenti ad alte e altissime energie, ad esempio basato sui cataloghi all-sky di Fermi, delle quali una frazione tuttora rilevantissima (>30%) non sono identificate. Infine, altri temi riguardano il fondo diffuso in raggi Gamma, e l’origine del fondo di neutrini di alta energia osservato da IceCube.
Contatto: Elisa Prandini
Research activities
Our research activities are focused on the study of those astrophysical mechanisms at the origin of the emission of ultra-relativistic particles (cosmic rays). Such emission is essentially connected with shock waves around compact objects of galactic nature (pulsar, micro quasars and supernova remnants) of extragalactic nature (active galactic nuclei) where electrons and protons are accelerated at energies up to few PeV. Successive interactions with magnetic fields, particles or radiation, are at the origin of strong gamma-ray emission detectable on earth or orbiting satellites.
This research group participates since the very initial phases to international collaborations for experiments in the field of gamma-ray astronomy such as the Fermi satellite (https://fermi.gsfc.nasa.gov/) operational since 2008 and the MAGIC (https://www.magic.mpp.mpg.de/) telescopes at the Observatory of Roque de los Muchachos in the Canary Islands, currently providing top-level results in the field. Moreover, the research group participate to the IceCube collaboration (https://icecube.wisc.edu), a neutrino observatory within the South Pole ice, devoted to the detection of high energy neutrinos. We are also involved in the study of X-ray catalog meant to discover new potentially interesting sources and in optical observation of various extragalactic targets, mainly focused to the determination of the distance.
Our work has a strong internationally oriented collaboration component. For what deals future instruments, we are participating to the construction of the Cherenkov Telescope Array (https://www.cta-observatory.org/) and to the design and project of SWGO (https://www.swgo.com/) a wide angle gamma-ray observatory to be installed at high altitude on the Andes in South America, as well as in the design of new generation satellite missions at gamma-ray energies down to MeV (e-Astrogam, Amego). Moreover, our group takes part in developing a new mission at X-ray energies up to MeV called GECCO, which stands for Galactic Explorer with a Coded Aperture Mask Compton Telescope.
Our specific research lines are:
Technology
Our team takes part in the development of novel detectors for the observation of astrophysical sources. For land-based observations we need single-photon sensors (for visible and near-UV light). For the most part the detectors we develop and test in our laboratories are based on silicon photomultipliers. In an all-encompassing approach we design and test also light guides, mirrors and readout electronics. Our detectors are brought to the existing observatories (e.g. in MAGIC, the Cherenkov telescope at the Canary islands) to be installed and tested in real-life conditions.
Detectors for space-based observations have a similar structure to those used in high-energy physics: silicon trackers, calorimeters, etc. We took part in the design, assembly and qualification of existing instruments (e.g. Fermi-LAT) and we are on the front line in defining the current proposals for the next-generation observatories (e-Astrogam, AMEGO, GECCO).
Software activities include the design of new detector systems and their characterization by means of detailed simulation. Hardware activities focus on the assembly and test of new sensor prototypes, new data-acquisition electronics and data processing systems.
Contacts: Mosè Mariotti, Riccardo Rando, Eugenio Bottacini
Black holes and relativistic jets in active galactic nuclei
Recent astronomical observations seem to confirm the idea that several galaxies host at their center a supermassive black hole with a mass thousands times larger than our sun. These galaxies, dubbed Active Galactic Nuclei (AGN), show very complex emission and absorption spectra, generated by the superposition of thermal and several components of non-thermal emission. About 10% of the active galaxies also show a highly collimated jet of relativistic particles that extends over thousands of kpc. Depending on the line of sight from the Earth, these galaxies are dubbed radio galaxies or blazars. The focus of our research group is the characterization of the physical conditions present in the AGN jet through the study of the electromagnetic emission of these objects, in particular those that reach the most extreme energies.
Contacts: Elisa Prandini, Elisa Bernardini, Eugenio Bottacini
Radiative mechanisms in galactic objects
Inside our Galaxy, there are several systems formed by a compact object, either a neutron star or a black hole, and a companion star that has been swallowed up by the compact object. Most of this acceleration is related to remnants of supernova explosions. In particular, there are systems formed by a compact object, either a neutron star or a black hole, and of a companion star that is disrupted and falls onto the compact object. These two sources rotate around the center of mass in an elliptical orbit. In some situations, these sources expel two jets of radiation and relativistic mass with a mechanism still unveiled, but very well studied. The nature of these jets is similar, but at a small scale, to the jets of active galactic nuclei. This is one of the reasons why the study of these jets is of great interest. The gamma radiation –that images the highest energy phenomena occurring inside these binary systems – is an optimal way of investigating these phenomena.
Contacts: Luca Zampieri, Alessia Spolon
High energy neutrino astrophysics
Neutrinos, neutral particles almost massless, represent unique messengers carrying information from the most violent and extreme events in the universe as star explosions, gamma-ray bursts and cataclysmic events involving black holes and neutron stars.
Neutrino telescopes are conceived for the detection of neutrinos, particles interacting with matter only by means of the weak force. As it happens for photons, the association of the neutrino to a potential cosmic source is measured by the telescope from the reconstructed direction of flight.
The Icecube neutrino telescope is the first of such a kind of detectors, designed and constructed for the observation of the Cosmos from the depth of the Antartic ice at the South Polo, at about 2 kilometers the surface, where the extreme transparency of ice allows the detection of the light produced in the neutrino originated interactions to a structure of more than 5000 photodetectors.
The Icecube experiment demonstrated in 2013 the existence of high energy cosmic neutrinos, higher than few tens of TeV, opening a new window to the Universe observation. In 2017 the experiment identified the TXS 0506+056 blazar as a possible source of cosmic neutrinos, with the observation of a high energy neutrino during an electromagnetic emission phase of the source. This is considered as the first high energy neutrino and photons multi-messenger observation, which involved more than a hundred researchers and 18 detection infrastructure. In 2022 the second astrophysical source of high-energy neutrinos was identified, the Seyfert II galaxy NGC 1068.
The detection of neutrinos associated with cosmic sources and the comprehension of their nature and production mechanisms will shed new light on the origin of very high energy cosmic rays. The simultaneous observation of high energy neutrinos and photons from different telescopes is extremely important and should be based on the existence of an alert system involving different observatories to point to the same source as a significant event is detected. In addition, many important results are expected from neutrino astrophysics, from the study of the explosion mechanisms of massive stars in Supernovae, from the study of dark matter and beyond the Standard Model physics down to the properties of neutrinos themselves.
Contact: Elisa Bernardini
New and Fundamental Physics
The study of high energy cosmic radiation opens a window toward several phenomena of new and fundamental physics. The reason is related to the energies in play in astrophysical processes, much higher than energies obtained at accelerators on earth. Moreover, cosmic time and distances can amplify phenomena not observable in laboratories as it happens for high energy gamma-rays being produced in annihilation or decay processes of WIMP type (weakly interacting massive particle) dark matter. New particles like axions (ALP, axion like particles) are allowed to interact in magnetic fields influencing gamma-ray propagation observable through specific signatures in the spectra or new decay processes. In addition, several theories admitting Lorentz invariance violation could be tested observing energy dependent time delays in the detection of high energy photons. Any new exotic particle or state (magnetic monopoles, multi-quark states, etc.) is mainly associated with gamma-ray production as it is also the case of primordial black holes.
Contacts: Michele Doro, Alessandro de Angelis
High-Energy Surveys
Sky surveys are a fundamental data basis for astronomy. They are used to systematically map the universe and its constituents and to discover new types of objects or new phenomena. Especially at energies above 15 keV, surveys reveal the non-thermal processes in astrophysical objects, which allow for a deep insight in the emission processes at work in the detected sources. Yet, detecting new sources is still challenging because of technological limitations of current space missions. To overcome such limitations, we take advantage of the combined use of the INTEGRAL mission (ESA) and of the Swift mission (NASA) to reveal new extragalactic and galactic sources. We use them to study the cosmological evolution of active galactic nuclei (AGNs), the formation of supermassive black holes in the early universe, and to discover new phenomena. Additionally, through high-energy observations with narrow field-of-view telescopes (e.g. NuSTAR) we measure and study the effects of relativity due to the huge gravity in the vicinity of rotating supermassive black holes.
Contact: Eugenio Bottacini
Multiple frequency investigation of active galactic nuclei
Active galactic nuclei (AGNs) are among the few cosmic sources that can emit photons at all frequencies, from radio waves to gamma rays, and are the brightest non-transient objects in the Universe, to such an extent that they are still visible at very large distances. The origin of this immense luminosity is primarily a material disc that is accreted by a supermassive black hole. The great amount of radiation that we can observe is emitted by converting the gravitational binding energy of accreted material into luminosity. Though these objects may look very different from each other and be classified into different categories (Seyfert galaxies, Quasars, Radio Galaxies, blazars), thanks to the unification models today we know that these sources are all related to the same object type and to the presence or absence of a plasma jet, magnetically accelerated at relativistic speeds close to the black hole. Though in the course of years many properties of these objects and the extreme physical phenomena that characterize them have been understood, several aspects remain unclear. The origin and dynamics of the ionized gas that is observed at large distances from the black hole in many AGNs, for example, are still uncertain. Likewise, we still need to clarify how AGNs evolve over time, how material jets originate from the vicinity of the black hole, what physical phenomena apply at such high energies, and how the AGN interacts with the galaxy that hosts it. Our research group deals with all these aspects, mainly through optical spectroscopy, but also by observing AGNs at other frequencies such as radio, X-rays and gamma rays. In addition to acquiring new data with numerous telescopes, including the Asiago observatories, we are focusing on the analysis of large online data archives, such as the Sloan Digital Sky Survey or the 6 Degree Field Survey, which allow us to retrieve extensive information on this type of objects.
Contact: Stefano Ciroi
Observational Cosmology
High energy astrophysics has deep ties with Cosmology. A particular interest is the photon-photon interaction, amongst those of high energy produced by cosmic sources and of extragalactic and cosmic radiation (Cosmic Microwave Background CMB, EBL), with the subsequent production of pairs of electrons and positrons. This phenomenon causes a cosmic opacity effect for the high energy photons, with a massive cross section if the product of the photon energies is larger than the squared mass of an electron. Therefore, photons with energies higher than 100 TeV are observable only inside our galaxy, photons with energies between 10-50 TeV interact with the far IR, and those around TeV energies with optical and UV photons. The spectral observations of blazar, in particular at several redshifts, and the identification of the absorption in the spectrum provide a tool of extraordinary interest to link the intensity and the energy of the background light at different cosmic epochs. This radiation, that represent the integral of all the processes of energy production of cosmic sources between now and the Big Bang, is hardly ever directly observable because it is blurred by local sources (Zodiacal light, interplanetary dust emission, emission from the Galaxy), therefore the indirect observation of the effects of photon-photon interactions is crucial.
One of these radiative components of particular interest are the sources responsible for the cosmic re-ionization at z=10 with residual background in the near IR. TeV blazar observations at z>1 will provide interesting limits, or even detections. In addition, the study of the blazar sample in a wide redshift interval will allow to put decisive limits on the evolution history of the main cosmic sources, far away galaxies and AGN, dominant of the energy production by thermonuclear burning in stars and by gravitational accretion in AGN. Another interesting topic for the subgroup will be the statistical studies of the source population at high and very high energies, for example based on the all-sky Fermi catalog, out of which a high fraction (>30%) are non-identified sources. Lastly, other topics regarding the extragalactic gamma background and the origin of the high energy background neutrinos observed by IceCube
Contact: Elisa Prandini
