Infrared supernova search in starburst galaxies

The high FIR luminosity of starburst (SB) galaxies is a direct measure of their SFR and implies an high SN rate. This seems in contradiction with the fact that very few SNe have been discovered in SB. Likely, this is related to the presence of dust that introduce a bias due to extinction . A search in the IR, because of the reduced extinction, is deemed to detected the hidden SN population. Early attempts of NIR searches (e.g Mannucci et al 2003, Mattila et al 2007) show no evidence of enhanced SN rate in starbursts, but statistics is still very low. For this reason we started a new complementary search to measure the SN rate using an excellent instrument as HAWK-I@VLT in a sample of 30 nearby starburst galaxies. We obtained about 270 visits during 3 different runs, during which we found 6 SNe: 4 with spectroscopic confirmation and 2 without spectroscopic confirmation, due to their faintness. Through 500 MonteCarlo simulations we extimated, from SFRs based on FIR luminosity, the expected number of events in our search and, with the adopted parameters (IMF, extinction distribution, SF distribution...) and the measured search detection efficiency, we predict, on average, the discovery of 5.4+/-2.3 SNe. The expected number agrees very well with the observed number. Indeed we found that the expected number of SNe is <= to 6 in 55% of the experiments. Even if we consider only the SNe with spectroscopic classification (4) their occurrence is significant (22%). We also discussed the effects of different assumptions and choices of the model parameters. The main conclusion is that the number of expected SNe is consistent with the observations, so not confirming the claim of previous infrared SN search that estimated a number of expected SNe higher than observed. In another part of the PhD project we used LBC@LBT to estimate the SN rate at high redshift, in order to have an independent check of the claim of a decline of the Ia SNe rates at z > 0.8. If confirmed, this may have important consequences for the use of Ia SNe as cosmological probes. We obtained only 2 of the 6 epochs planned. However, a sample of 14 candidates have been found, a number consisent with expectations (18). Unfortunately, although this is a very interesting and promising work, the chances of success were limited by bad weather and scheduling problems. The first chapter introduce the phenomenon of supernovae, with thier classification and thier use as cosmological probes. In the second chapter is described the star formation history, with the main indicators of star formation. Is shown also the supernova rate problem introduce in the work of Horiuchi et a. (2011). The third chapter addresses the fundamental relation between star formation rate and supernova rate, with the different implications of the CC SN rate and type Ia rate. Then i show the measurements of the SN rate during the years at different redshift. In this context, a description of our work with LBT is shown. To introduce the next chpater, i describe the importance to analyze the SN rate in starburst galaxies, showing at the same time previous results of optical and IR SN searches in starburst galaxies. Th fourth chapter is a detailed description of our search strategy and data reduction. In the second part of the chapter is shown the SN sample, with description and light curves of all SN discovered. The fifth chapter is focused on the estimation of the expected SN rate with the MonteCarlo simulation. A detailed description of the simulation tool qith the main input parameter is given. In the second part i describe the results of simulation, comparing to the observed number. In the last chapter i summarized the entire work, with the scientific conclusion and the future perspective of the IR searches and the SN searches in starburst galaxies.

L'elevata luminosità nel lontano infrarosso delle galassie starburst (SB) è una misura diretta del loro tasso di formazione stellare che a sua volta implica un'elevata frequenza di supernovae. Questo tuttavia sembra in contraddizione con il fatto che sono state scoperte poche supernovae in queste galassie. Molto probabilmente questo è legato alla presenza di grandi quantità di polvere che introducono un bias dovuto al fenomeno dell'estinzione. Quindi, una ricerca di supernovae condotta alle lunghezze d'onda infrarosse, per via della ridotta estinzione, è più indicata per rilevare la poplazione di supernovae oscurata dalla polvere. I primi tentativi di osservare queste seprnovae nel vicino infrarosso non hanno tuttavia mostrato un aumento evidente della frequenza di supernovae in galassie starburst, anche se fino ad ora la statistica rimane piuttosto bassa. Per questa ragione abbiamo iniziato un nuovo e complementare progetto che consiste nella ricerca di supernovae in un campione di 30 galassie starburst con lo scopo di misurare la frequenza di supernovae, utilizzando un eccellente strumento quale HAWK-I@VLT. Abbiamo ottenuto un totale di 270 epoche durante 3 differenti periodi di osservazioni, durante i quali abbiamo trovato 6 supernovae: 4 con conferma spettroscopica, 2 senza a causa della loro luminosità troppo debole. Attraverso 500 esperimenti MonteCarlo abbiamo stimato, partendo dal tasso di formazione stellare basato sulla luminosità nel lontano infrarosso, il numero atteso di supernovae nella nostra campagna osservativa, e, con i parametri adottati (concernenti la funzione iniziale di massa, l'estinzioni, la distribuzione della formazione stellare...) e la misura della magnitudine limite di tutte le epoche, ci aspettiamo, in media, la scoperta di 5.4+/-2.3 supernovae. Il numero atteso è quindi in ottimo accordo con quello delle supernovae osservate. Infatti il numero di supernovae attese è <= a 6 nel 55% degli esperimenti. Anche se consideriamo solo il numero di supernovae confermate spettroscopicamente (4), il loro verificarsi è comunque significativo (22%). Abbiamo inoltre discusso gli effetti delle differenti assunzioni e scelte dei parametri della simulazione. La principale conclusione è che il numero di supernovae è consistente con le osservazioni, non confermando in tal modo i risultati dei precedenti lavori di ricerca di supernovae nell'infrarosso, ovvero che la frequenza di supernovae aspettata risultava essere più alta di quello osservata. In un'altra parte del progetto di dottorato abbiamo utilizzato LBC@LBT per stimare la frequenza di supernovae ad alti redshift, con lo scopo di verificare il declino della frequenza di supernovae di tipo Ia a redshift >0.8. Se confermato, questo potrebbe avere importanti conseguenze sull'utilizzo delle supernovae Ia in ambito cosmologico. Abbiamo ottenuto solo 2 epoche delle 6 previste, riuscendo comunque a scoprire 14 robusti candidati (un numero consistente con le attese, 18). Sfortunatamente, sebbene questo fosse un progetto molto interessante e promettente, le chances di successo sono state severamente limitate dal cattivo tempo e dai numerosi problemi sofferti dallo strumento. Il primo capitolo introduce il fenomeno delle supernovae, con la relativa classificazione e la loro importanza in ambito cosmologico. Il secondo capitolo è dedicato all'importanza dello studio della formazione stellare in cosmologia, con la descrizione dei relativi indicatori. Viene anche illustrato il problema relativo alla frequenza di supernovae così come descritto in Horiuchi et al. (2011). Il terzo capitolo è dedicato alla fondamentale relazione tra tasso di formazione stellare e frequanza di supernovae. Vengono quindi illustrate le diverse misure della frequenza di supernovae negli anni a differenti redshift. viene poi descritto brevemente il nostro lavoro sulla frequenza di supernovae ad alti redshift con l'utilizzo del telescopio LBT. In seguito, vengono introdotti i concetti base per i futuri capitoli: cosa sono e perchè sono importanti le galassie starburst e i precedenti lavori di ricerca di supernovae nell'ottico e nell'infrarosso. Nel quarto capitolo viene descritta la strategia osservativa ed il procedimento di riduzione dei dati. La seconda parte è dedicata alla desfrizione del campione di supernovae trovate. Il quinto capitolo introduce i dettagli della simulazione MonteCarlo per stimare il numero di supernovae aspettate, e confronta questo numero con quello osservato. Il quinto capitolo è dedicato al riassunto del lavoro con relativo conclusioni scientifiche e prospettive future della ricerca infrarossa di supernovae e della ricerca in generale in galassie starburst.