Il campo di densità di galassie come strumento per determinare parametri cosmologici e caratterizzare l'evoluzione delle galassie

In the current cosmological model, the large-scale structures of the Universe are the result of matter's evolution under gravity through cosmic time. Galaxy clusters (1 Mpc), filaments of the cosmic web (10 Mpc), and in general the distribution of galaxies across large volumes (100 Mpc) are some of the tracers of the large-scale structure. Galaxies are the fundamental observable of large-scale structures, and the preferential scenario where the baryonic matter condenses and becomes luminous by the process of star formation. In this thesis, I have explored the relationship between galaxies and the large-scale structure of the Universe. The key tool that I have exploited is the galaxy density field, used as a tracer of the local environment which influences the galaxy assembly and evolution, and as a tracer of the clustering of matter across large scales. Observational studies have widely demonstrated that a galaxy's physical properties are strongly affected by the surrounding environment. On one side, gas inflows provide galaxies with new fuel for star formation. On the other side, the high temperatures and densities of the medium are expected to induce quenching in the star formation. Observations of large structures, in particular filaments at the cluster outskirts (r>2r_200), are currently limited to the low redshift Universe. Deep and wide photometric data, better if combined with spectroscopic redshifts, are required to explore several scenarios on galaxy evolution at intermediate redshift (z =0.4). To have a deeper understanding of the process of galaxy formation and evolution on large-scale structures, I have worked with data of the VST-GAME survey. The project is aimed at gathering deep (r<24.4 mag) and wide (approx. 20x20 Mpc^2) observations at optical (ugri, VST) wavelengths for six massive galaxy clusters at 0.2<z<0.6, complemented with near-infrared data (YJK, VISTA, ESO public survey GCAV). The aim is to investigate galaxy evolution in a wide range of stellar masses and environmental conditions. The first part of this thesis is therefore focused on the multiband catalog construction for the cluster MACS J0416.1-2403 (z=0.397), from the source extraction up to photometric redshift computation, using optical and near-infrared bands. In particular, I developed a procedure to mask the OmegaCAM fields from artifacts generated by bright stars. This procedure can be applied to other deep VST and VISTA surveys. In the second part, I define the cluster membership, and the sequence of red galaxies, and compute the galaxy density field around MACSJ0416, up to more than 10 Mpc of the cluster core. Studying galaxy colors according to their local environment I found that the g-r colors show bimodal behaviors in all the environments, but the peak of the distribution of red galaxies shifts toward redder colors with increasing density. Additionally, I also found three overdense regions in the cluster outskirts at 5r200. Galaxies in these structures have mean densities and luminosities similar to those of the cluster core. The color of galaxies suggests the presence of evolved galaxy populations, an insight into pre-processing phenomena over these substructures. The second part of this thesis is focused on cosmological scales, using the VIPERS survey, over the redshift range 0.6 < z < 1. The analysis is optimized to extract the cosmological parameters while fully accounting for the complex survey geometry. I employ a Gibbs sampling algorithm to iteratively draw samples of the galaxy density field. Despite the high number of degrees of freedom, the samples converge to the joint posterior distribution and give self-consistent constraints on the model parameters. I validate the approach using VIPERS mock galaxy catalogs. I find that the precision of the results matches those of the traditional analyses applied to the VIPERS data that use more constrained models.

Nel modello cosmologico attuale, le strutture a grande scala dell'Universo sono il risultato dell'evoluzione della materia sotto l'influenza della gravità nel corso del tempo cosmico. Gli ammassi di galassie (1 Mpc), i filamenti della rete cosmica (10 Mpc) e in generale la distribuzione delle galassie su grandi volumi (100 Mpc) sono alcuni dei traccianti della struttura a grande scala. Le galassie sono l'osservabile fondamentale di queste strutture ed il luogo preferenziale in cui la materia barionica si condensa e diventa luminosa attraverso il processo di formazione stellare. In questa tesi, ho esplorato il rapporto tra le galassie e la struttura a grande scala dell'Universo. Lo strumento chiave a questo scopo è il campo di densità di galassie, utilizzato sia come indicatore dell'ambiente locale delle galassie, sia come indicatore dell'aggregazione di materia su grandi scale. Le osservazioni hanno ampiamente dimostrato che le proprietà fisiche delle galassie sono fortemente influenzate dall'ambiente circostante. Da un lato, gli afflussi di gas forniscono alle galassie nuovo carburante per la formazione stellare. Dall'altro lato, le alte temperature e turbolenze del mezzo intergalattico sopprimono la formazione stellare. Le osservazioni di grandi strutture, in particolare i filamenti nei pressi dei cluster, sono attualmente limitate all'Universo a basso redshift. Per avere una comprensione più profonda del processo di evoluzione delle galassie sulla struttura a grande scala, ho lavorato con i dati di VST-GAME. Il progetto ha lo scopo di raccogliere osservazioni profonde (r<24.4 mag) e su grandi aree (20x20 Mpc^2) alle lunghezze d'onda nello spettro dell'ottico (agri, VST) per sei cluster di galassie a redshift 0,2<z<0,6. Le osservazioni sono completate con dati a lunghezze d'onda nel vicino-infrarosso (YJK, VISTA, survey pubblico ESO GCAV). La prima parte di questa tesi si concentra quindi sulla costruzione del catalogo multibanda dell'ammasso MACS J0416.1-2403 (z=0.397), dall'estrazione delle sorgenti fino al calcolo del redshift fotometrico, utilizzando bande nell'ottico e vicino-infrarosso. In particolare, ho sviluppato una procedura per mascherare i campi OmegaCAM da artefatti generati da stelle luminose. Questa procedura può essere applicata ad altri survey profondi VST e VISTA. Nella seconda parte, definisco l'appartenenza al cluster, la sequenza di galassie rosse e calcolo il campo di densità di galassie intorno a MACSJ0416, fino a oltre 10 Mpc del nucleo dell'ammasso. Studiando i colori delle galassie in base al loro ambiente locale, ho scoperto che i colori g-r mostrano comportamenti bimodali in tutti gli ambienti, ma il picco della distribuzione delle galassie rosse si sposta verso colori più rossi con l'aumento della densità. Inoltre, ho anche trovato tre regioni sovra-dense negli estremi del cluster a 5r_200. Le galassie in queste strutture hanno densità e luminosità medie simili a quelle del nucleo del cluster. Il colore delle galassie suggerisce la presenza di popolazioni di galassie evolute, una intuizione sui fenomeni di pre-elaborazione su queste sottostrutture. La seconda parte di questa tesi si concentra sulla scala cosmologica, utilizzando la survey VIPERS, nell'intervallo di redshift 0.6 < z <1. L'analisi è ottimizzata per estrarre i parametri cosmologici tenendo conto pienamente della geometria complessa della survey. Ho utilizzato un algoritmo del tipo Gibbs sampler per generare campioni del campo di densità di galassie. Nonostante l'elevato numero di gradi di libertà, i campioni convergono ad una distribuzione congiunta e forniscono vincoli coerenti sui parametri del modello. Ho validato l'approccio utilizzando i cataloghi simulati della survey. Riscontro che la precisione dei risultati corrisponde a quella delle analisi tradizionali applicate ai dati VIPERS che utilizzano modelli più vincolanti.