Caratterizzazione con ALMA di sorgenti individuate da LABOCA nel regime sub-mm nel campo di un protocluster a z=2.2

Submillimeter Galaxies (SMGs) are among the best indicators of star formation activity in the high redshift Universe. In fact, most of them consist of young galaxies enshrouded in dust, whose optical/UV light is absorbed by the dust cloud and re-emitted in the submm. In this work, we present 870 um Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA) dust continuum observations of 13 bright sub-millimeter sources previously revealed by the instrument LABOCA at the APEX telescope in a 140 arcmin^2 field of the HzRG MRC 1138-262 at redshift z=2.16. Evidence for this field (named Spiderweb from the alleged filamentary structure) being a galaxy protocluster, meaning a cluster in formation, can be found in literature. ALMA data are imaged with different tapering and weighting schemes, in order to explore the effect of the resolution on the flux recovery. The final maps reach a sensitivity of about 0.17 mJy, and we detect 41 (34) SMGs with a S/N>3 (>5). For two LABOCA sources, we found no ALMA detection in the corresponding pointing. In the other 11 cases, ALMA sub-arcsec resolution revealed that the single-dish LABOCA sources are composed by a blend of at least two sources (3.7 on average, higher than commonly found in literature). For each ALMA source we measured both the peak flux and fixed aperture, integrated flux: comparing the two gives hints on whether or not the source is resolved. We also found that using the maps obtained with heavy tapering, for 8 out of 11 cases, summing up the fluxes of the individual ALMA sources we recover the 870 um flux measured by LABOCA. In addition, we searched for counterparts at other wavelengths, exploiting the wealth of multi-wavelength data available for this field. We find that a fraction of our sub-millimeter population is obscured in the optical/NIR regime, suggesting that this class of objects should be accounted for when constraining the star formation rate density of the Universe, which is typically estimated through optically-selected samples. Finally, we compute the number counts and find that within the inner 13 arcmin^2 region, cumulative counts for sources with flux densities >2 mJy show an overdensity of a factor about 9 above blank fields in literature. The overdensity is much less marked when we consider a wider area of the original LABOCA map. In conclusion, the evidence reported in this thesis supports the hypothesis of the Spiderweb field hosting a protocluster in formation, with its core within the 13 arcmin^2 region.

Le galassie submillimetriche (SMG) sono tra i migliori indicatori dell'attività di formazione stellare nell'universo ad alto redshift. Infatti, la maggior parte di esse è costituita da giovani galassie avvolte nella polvere, la cui luce ottica/UV viene assorbita dalla nuvola di polvere e riemessa nel submm. In questo lavoro, presentiamo osservazioni a 870 um dell'Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA) del continuo di polvere di 13 sorgenti luminose submillimetriche precedentemente rivelate dallo strumento LABOCA al telescopio APEX, in un campo di 140 arcmin^2 di HzRG MRC 1138-262 a redshift z=2,16. In letteratura si possono trovare prove che questo campo (chiamato Spiderweb dalla presunta struttura filamentosa) sia un protocluster di galassie, ovvero un ammasso in formazione. I dati ALMA sono presentati con diversi schemi di riduzione e tapering, al fine di esplorare l'effetto della risoluzione sul recupero del flusso. Le mappe finali raggiungono una sensibilità di circa 0,17 mJy e rileviamo 41 (34) SMG con un S/N>3 (>5). Per due sorgenti LABOCA, non abbiamo trovato alcuna detection nel pointing corrispondente di ALMA. Negli altri 11 casi, la risoluzione ALMA sub-arcsec ha rivelato che le sorgenti single-dish LABOCA sono composte da un blend di almeno due sorgenti (3,7 in media, superiore a quanto comunemente trovato in letteratura). Per ciascuna sorgente ALMA abbiamo misurato sia il flusso di picco che il flusso integrato: il confronto dei due fornisce informazioni sul fatto che la sorgente sia risolta o meno. Abbiamo anche scoperto che utilizzando le mappe ottenute con il tapering pesante, per 8 casi su 11, sommando i flussi delle singole sorgenti ALMA recuperiamo il flusso di 870 um misurato da LABOCA. Inoltre, abbiamo cercato controparti ad altre lunghezze d'onda, sfruttando la ricchezza di dati multi-wavelength disponibili per questo campo. Troviamo che una frazione della nostra popolazione sub-millimetrica è oscurata nel regime ottico/NIR, suggerendo che questa classe di oggetti dovrebbe essere presa in considerazione nello studio della densità del tasso di formazione stellare dell'Universo, che è tipicamente stimato attraverso campioni selezionati otticamente. Infine, calcoliamo i number counts e scopriamo che all'interno della regione interna di 13 arcmin^2, i conteggi cumulativi per sorgenti con densità di flusso >2 mJy mostrano una sovradensità di un fattore circa 9 sopra i blank fields della letteratura. La sovradensità è molto meno marcata se consideriamo un'area più ampia della mappa LABOCA originale. In conclusione, le evidenze riportate in questa tesi supportano l'ipotesi che il campo Spiderweb ospiti un protocluster in formazione, con il suo nucleo all'interno della regione 13 arcmin^2.