Formazione di Buchi Neri Supermassicci da Protostelle di Popolazione III.1 - Implicazioni su Evoluzione delle Galassie, Accrescimento dei Buchi Neri e Osservazioni ad Alto Redshift

Exploring the origins and evolution of the earliest Supermassive Black Holes (SMBHs) stands as one of the most complex challenges in astrophysics. These immense black holes reside at the cores of the most massive galaxies and wield significant influence over various aspects of galactic development. Their impact extends to feedback mechanisms, transformations in morphology, and potentially contributing to the cosmic reionization process. Despite numerous proposed theoretical explanations regarding the initial formation of SMBH seeds, distinguishing between these theories remains an arduous task due to the lack of precise observational estimates regarding their prevalence in the Universe. According to recent observations, SMBHs are expected to underwent rapid growth during the early stages of their evolution, specifically beyond redshift 6. In this thesis work we present an implementation of the Pop III.1 seeding model for SMBHs in a theoretical model of galaxy formation and evolution to assess the growth of the SMBH population and the properties of the host galaxies. The model of Pop III.1 seeding involves SMBH formation at redshifts greater than 20 in dark matter minihalos that are isolated from external radiative and mechanical feedback, parametrized by isolation distance $d_{\mathrm iso}$. Within a standard $\Lambda$CDM cosmology, we generate dark matter halos using the code \pinocchio and seed them according to the Pop III.1 scenario, exploring values of $d_{\mathrm iso}$ from 50 to 100 kpc in proper distance. We consider two alternative cases of SMBH seeding: a Halo Mass Threshold (HMT) model in which all halos $>7\times10^{10}\ M_\odot$ are seeded with $\sim10^5\ M_\odot$ black holes; an All Light Seeds ALS model in which all halos are seeded with low, stellar-mass black holes. We follow the redshift evolution of the halos, populating them with galaxies using the GAlaxy Evolution and Assembly theoretical model of galaxy formation \gaea, including accretion onto the SMBH and related feedback processes. We first present predictions for the properties of galaxy populations, focusing on stellar masses, star formation rates, and black hole masses. The local, $z\sim0$ metrics of occupation fraction as a function of the galaxy stellar mass, Galaxy Stellar Mass Function (GSMF), and Black Hole Mass Function (BHMF) all suggest a constraint of $d_{\mathrm iso}<75$ kpc. We discuss the implications of this result for the Pop III.1 seeding mechanism. Secondly, we utilize the semi-analytic approach proposed above to make predictions on physical and observable quantities of our SMBHs at redshifts higher than 4. In particular we consider their appearance as Active Galactic Nuclei (AGNs) and we predict key quantities such as BH masses, AGN luminosity functions and Eddington ratios, and test whether it is possible to put some constraints on the SMBH seeding scenario. In detail, we compare with data from recent works reporting high redshift observations of AGNs detected with the James Webb Space Telescope (JWST). In the next part of the thesis, we carried out an observational study of the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) seeking the youngest SMBHs. We aim to estimate the SMBH number density across cosmic time by means of AGN variability. In light of their variable radiation emission, we propose that examining AGN activity in these systems through photometric variability represents an unexplored yet reliable method. This work involves recent observations of the Hubble Space Telescope (HST) pointing the HUDF in Cycle 30. The resulting dataset from our program provides valuable insights to possibly differentiate between various scenarios explaining the formation of these enigmatic black holes.

L'esplorazione delle origini e dell'evoluzione dei primi buchi neri supermassicci (SMBH) rappresenta una delle sfide più complesse dell'astrofisica. Questi immensi buchi neri risiedono nei nuclei delle galassie più massicce ed esercitano un'influenza significativa su vari aspetti dello sviluppo galattico. Nonostante le numerose spiegazioni teoriche proposte sulla formazione iniziale dei SMBH, distinguere tra queste teorie rimane un compito arduo a causa della mancanza di stime osservative precise sulla loro prevalenza nell'Universo. Secondo le recenti osservazioni, ci si aspetta che i SMBH subiscano una rapida crescita durante le prime fasi della loro evoluzione, in particolare oltre redshift 6. In questo lavoro di tesi presentiamo un'implementazione del modello di seeding Pop III.1 per i SMBH in un modello teorico di formazione ed evoluzione delle galassie per valutare la crescita della popolazione di SMBH e le proprietà delle galassie ospiti. Il modello di Pop III.1 seeding prevede la formazione di SMBH a redshift maggiori di 20 in mini-aloni di materia oscura isolati da feedback esterni radiativi e meccanici, parametrizzati dalla distanza di isolamento d_iso. Considerando una cosmologia standard LCDM, generiamo aloni di materia oscura utilizzando il codice PINOCCHIO e li popoliamo secondo lo scenario Pop III.1, esplorando valori di d_iso da 50 a 100 kpc in distanza propria. Consideriamo due casi alternativi di seeding di SMBH: un modello Halo Mass Threshold (HMT) in cui tutti gli aloni $>7\times10^{10}\ M_\odot$ vengono popolati con buchi neri $sim10^5\ M_\odot$; un modello All Light Seeds (ALS) in cui tutti gli aloni sono inizializzati con buchi neri di origine stellare. Seguiamo l'evoluzione in redshift degli aloni, popolandoli con galassie utilizzando il modello teorico GAEA, che include l'accrescimento sul SMBH e i relativi processi di feedback. Presentiamo innanzitutto le previsioni sulle proprietà delle popolazioni di galassie, concentrandoci sulle masse stellari, sui tassi di formazione stellare e sulle masse dei buchi neri. Le relazioni locali, $z\sim0$, della frazione di occupazione in funzione della massa stellare della galassia, della funzione di massa stellare della galassia (GSMF) e della funzione di massa dei buchi neri (BHMF) suggeriscono un valore di d_iso<75 kpc. Discutiamo le implicazioni di questo risultato per il meccanismo di seeding Pop III.1. In secondo luogo, utilizziamo l'approccio semi-analitico proposto in precedenza per fare previsioni sulle quantità fisiche e osservabili dei nostri SMBH a redshift superiori a 4. In particolare, consideriamo il loro ruolo come Nuclei Galattici Attivi (AGN) e prevediamo quantità chiave come le masse dei BH, le funzioni di luminosità degli AGN e i rapporti di Eddington, e verifichiamo se è possibile porre alcuni vincoli sullo scenario di seeding dei SMBH. In dettaglio, ci confrontiamo con i dati di recenti lavori che riportano osservazioni ad alto redshift di AGN rilevati con il James Webb Space Telescope (JWST). Nella parte successiva della tesi, abbiamo condotto uno studio osservativo dell'Hubble Ultra Deep Field (HUDF) alla ricerca dei primi SMBH. Il nostro obiettivo è stimare la densità numerica degli SMBH nel tempo cosmico attraverso la variabilità degli AGN. Alla luce della loro emissione di radiazione variabile, proponiamo che l'analisi dell'attività degli AGN in questi sistemi attraverso la variabilità fotometrica rappresenti un metodo inesplorato ma affidabile. Questo lavoro si basa su recenti osservazioni del telescopio spaziale Hubble (HST) che hanno osservato l'HUDF nel Ciclo 30. Queste osservazioni, che avvengono un decennio dopo le osservazioni iniziali con la stessa profondità e banda di lunghezza d'onda, offrono un lasso di tempo ottimale per studiare la variabilità degli AGN. I risultati dal nostro programma forniscono preziose indicazioni per differenziare i vari scenari che spiegano la formazione di questi enigmatici buchi neri.