Simulating the formation and evolution of galaxies. Methods and results

Gli obbiettivi di questa tesi sono due, strettamente interconnessi fra loro. Il primo, più prettamente astrofisico, è lo studio di un possibile scenario teorico per la formazione e l’evoluzione delle galassie in contesto cosmologico. Per fare questo, vista la grande complessità dei sistemi fisici in gioco, si è scelta la strada delle simulazioni numeriche. Il secondo scopo è quindi la costruzione di uno strumento adeguato a trattare il problema fisico in questione. Nella prima parte di questa tesi vengono riassunte dapprima le proprietà osservate delle galassie, soprattutto in termini di storia della formazione stellare e dell’assemblaggio della massa. A tale scopo, vengono brevemente presentati i risultati di numerose campagne di osservazione recenti, le quali sembrano suggerire un preciso andamento: le galassie più massicce si sono formate prima, e in minor tempo, di quelle meno massicce (downsizing, Bundy et al. 2006). Questo sembra contrastare decisamente con l‘attuale paradigma di formazione delle strutture in ambito cosmologico, che prevede la formazione di sistemi più grandi a partire dall’unione gerarchiaca di oggetti più piccoli. Come far convivere l’evidenza osservativa con l’impianto teorico è un problema ancora irrisolto. A masse molto piccole, nel regime delle cosiddette galassie nane, le storie di formazione stellare diventano poi estremamente varie e complesse, e sembrano richiedere la possibilità che singoli oggetti siano in grado di formare stelle in tempi differenti dopo l’intenso episodio iniziale, anche senza interagire con altri corpi. Vengono quindi esposte le basi dei modelli teorici di formazione delle galassie, mediante una panoramica sui principali processi fisici coinvolti: gravitazione, fluidodinamica, fenomeni di cooling e di heating, formazione stellare, feedback energetico e chimico. La seconda parte della tesi è dedicata alle simulazioni numeriche. Per prima cosa, viene presentato lo strumento di lavoro nella sua versione “base”: il Pd-Tsph, un codice numerico lagrangiano sviluppato a Padova da C. Chiosi e collaboratori (Carraro & Chiosi 1998), basato sui classici algoritmi Tree-code (Barnes & Hut 1986) e SPH (Lucy 1977), pensato e realizzato per lo studio della formazione di sistemi galattici. Con questo codice, due modelli di formazione di galassie massicce in ambiente cosmologico sono stati realizzati e vengono qui discussi (Merlin & Chiosi 2006). Un primo studio su un fenomeno fondamentale ma spesso poco studiato nell‘ambito delle simulazioni numeriche, ovvero la coesistenza di diverse fasi gassose nel mezzo interstellare, viene affrontato in un‘altro set di simulazioni riguardanti galassie di massa medio-alta (Merlin & Chiosi 2007). Infine, viene presentato EvoL, la nuova versione del codice Pd-Tsph, in cui vengono rivisti e migliorati numerosi aspetti sia tecnico-numerici che di modellizzazione fisica. Vengono presentati i risultati di alcuni test idrodinamici standard effettuati per testare il funzionamento del nuovo codice, seguiti da due nuove simulazioni-test, questa volta focalizzate su sistemi di massa medio-piccola, vicini al regime delle galassie nane, con diverse densità iniziali. I tre esempi di simulazioni numeriche presentati in questa tesi sembrano indicare una possibile strada da seguire nell’ambito di una possibile teoria generale di formazione delle galassie: mentre sistemi di alta densità iniziale danno vita a un unico burst di formazione stellare in modo essenzialmente indipendentemente dalla loro massa, oggetti di piccola massa possono avere una storia di formazione stellare più complicata, se la loro densità è sufficientemente bassa. Le prospettive di lavoro per il futuro prevedono la costruzione di un sufficientemente elevato numero di modelli per esplorare approfonditamente lo spazio dei parametri massa-densità.