Dottorato in ASTRONOMIA

Titolo della tesi: Probing the Epoch of Reionization with JWST spectroscopy

I primi tre anni di spettroscopia con il James Webb Space Telescope (JWST) hanno rivelato una numerosa popolazione di galassie ad alto redshift (z), precedentemente inaccessibili sia ai telescopi da terra che a quelli spaziali. Per la prima volta, JWST consente osservazioni profonde che raggiungono le sorgenti primordiali responsabili della reionizzazione del mezzo intergalattico fino all’alba cosmica. Tra le scoperte più sorprendenti emergono due punti fondamentali ancora irrisolti: l’alta abbondanza di galassie brillanti a z > 9 rispetto alle predizioni teoriche e la precoce comparsa di buchi neri super-massicci (SMBH) già formati a queste epoche, la cui evoluzione appare accelerata rispetto alle relazioni di scala osservate nell’Universo locale. JWST non solo ha fornito la conferma spettroscopica delle più lontane galassie e nuclei galattici attivi (AGN) finora conosciuti, ma ha anche reso disponibile un numero statisticamente significativo di galassie lungo l’intera Epoca della Reionizzazione (EoR), permettendo una caratterizzazione temporale di questa fase cruciale della storia cosmica. In questo contesto di notevoli progressi nel campo dell’astrofisica che studia l’evoluzione galattica, questa tesi presenta evidenze osservative sull’evoluzione delle prime galassie e sulla reionizzazione. I risultati sono stati derivati da osservazioni spettroscopiche usando JWST e in particolare lo strumento NIRSpec. Nella prima parte della tesi, discutiamo la caratterizzazione spettroscopica di otto galassie a z > 9.5 nel campo Abell-2744, confermando la sovradensità numerica precedentemente individuata dal team GLASS attraverso analisi fotometrica. Ad oggi, questo campo rimane la regione più sovradensa a z = 10, con una densità numerica di galassie confermate spettroscopicamente tre volte superiore alle stime medie derivate dalle funzioni di luminosità UV di JWST. All’interno di questo campione caratterizziamo nel dettaglio due sorgenti estreme in righe di emissione UV: GHZ9 a z = 10.145, la galassia più distante mai rilevata in raggi-X e il secondo AGN più distante conosciuto, e GHZ2 a z = 12.34, il più distante candidato AGN identificato finora. Entrambe le sorgenti mostrano spettri di emissione arricchiti in azoto, indicando regioni chimicamente evolute nell’Universo primordiale. Nella seconda parte di questa tesi, analizziamo un numeroso campione di galassie che presentano il peculiare break della riga Lyα. Queste galassie osservate da JWST nei campi EGS ed UDS, sono state studiate per caratterizzare l’evoluzione della visibilità della riga Lyα all’interno dell’epoca tra z = 4 e z = 11, corrispondente a circa un miliardo di anni di evoluzione cosmica. Questa analisi ci consente di aggiungere nuove stime sulla frazione di idrogeno neutro media nel volume dei due campi, durante e subito dopo la reionizzazione. Infine, evidenziamo come l’impatto delle perdite di flusso di Lyα (slit losses) nella configurazione NIRSpec Multi-Object Spectroscopy (MOS) debba essere tenuto da conto nel confrontare direttamente campioni di Lyα ottenuti da osservazioni da terra e con JWST, per non incorrere in sistematiche nei risultati ottenuti. Abbiamo caratterizzato questo bias osservativo attraverso il confronto tra dati osservativi e simulazioni radiativo-idrodinamiche, e dimostrato che l’effetto può sopprimere significativamente i flussi in Lyα emessa, con importanti implicazioni per gli studi attuali e futuri sulla reionizzazione basati su spettroscopia MOS di JWST.