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Bonzini, Margherita (2014): The sub-mJy radio population in the Extended Chandra Deep Field South. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Deep radio observations provide a dust unbiased view of both black hole (BH) and star formation (SF) activity and therefore represent a powerful tool to investigate their evolution and their possible mutual influence across cosmic time. Radio astronomy is therefore becoming increasingly important for galaxy evolution studies thanks also to the many new radio facilities under construction or being planned. To maximise the potentiality of these new instruments it is crucial to make predictions on what they will observe and to see how best to complement the radio data with multi-wavelength information. These are the motivations of my Thesis in which I studied a sample of 900 sources detected in one of the deepest radio surveys ever made. The observations have been performed at 1.4 GHz with the Very Large Array on the Extended Chandra Deep Field South. I developed a multi-wavelength method to identify the optical-infrared counterparts of the radio sources and to classify them as radio-loud active galactic nuclei (RL AGNs), radio-quiet (RQ) AGNs, and star forming galaxies (SFGs). I was able for the first time to quantify the relative contribution of these different classes of sources down to a radio flux density limit of ∼30 μJy. I characterized the host galaxy properties (stellar masses, optical colors, and morphology) of the radio sources; RQ AGN hosts and SFGs have similar properties with disk morphology and blue colors while radio-loud AGN hosts are more massive, redder and mostly ellipticals. This suggests that the RQ and RL activity occurs at two different evolutionary stages of the BH-host galaxy co-evolution. The RQ phase occurs at earlier times when the galaxy is still gas rich and actively forming stars while the radio activity of the BH appears when the galaxy has already formed the bulk of its stellar population, the gas supply is lower, and the SF is considerably reduced. I quantified the star formation rate (SFR) of the radio sources using two independent tracers, the radio and far-infrared luminosities. I found evidence that the main contribution to the radio emission of RQ AGNs is the SF activity in their host galaxy. This result demonstrates the remarkable possibility of using the radio band to estimate the SFR even in the hosts of bright RQ AGNs where the optical-to-mid-infrared emission can be dominated by the AGN. I have shown that deep radio surveys can be used to study the cosmic star formation history; I estimated the contribution of the so-called ”starburst” mode to the total SFR density and quantified the AGN occurrence in galaxies with different levels of SF.

Abstract

Tiefe Beobachtungen im Radiobereich ermöglichen einen Blick auf aktive schwarze Löcher (”black holes“, BH) und auch Gebiete aktiver Sternentstehung (”star formation“, SF), ohne dass die Beobachtungen durch den Staub in Galaxien beeinflusst werden. Daher sind Radiobeobachtungen ideal, um deren Entwicklung und eine mögliche gegenseitige Beeinflussung von BH und SF Aktivit¨at über kosmische Zeiten hinweg zu untersuchen. Radioastronomie gewinnt darum für die Erforschung von Galaxienentwicklung zunehmend an Bedeutung. Dies ist auch bedingt durch die zahlreichen neuen Radioanlagen, die im Bau oder in Planung sind. Um das Potential dieser neuen Instrumente zu maximieren, ist es essentiell Vorhersagen dar¨uber zu machen, was wir beobachten werden und zu erfahren, wie wir die Radiodaten am besten mit Multiwellenl¨angendaten ergänzen. Das ist die Motivation meiner Doktorarbeit, in der ich eine Auswahl von 900 Radioquellen untersucht habe, die in einer der tiefsten jemals durchgef¨uhrten Radiodurchmusterungen detektiert wurden. Die Beobachtungen wurden bei 1.4GHz mit dem Very Large Array auf dem ”Extended Chandra Deep Field South“durchgeführt. Ich habe eine Multiwellenl¨angenmethode entwickelt, um die optischen und infraroten Pendants dieser Radioquellen zu identifizieren und sie als radiolaute (”radio loud“, RL) aktive galaktische Kerne (”active galactic nuclei“, AGNs), radioleise (”radio quiet“, RQ) AGNs und Galaxien mit aktiver Sternentstehung (”star forming galaxies“,SFGs) zu klassifizieren. Als erste war es mir möglich, die jeweiligen Anteile dieser verschiedenen Klassen an Quellen bis zu einer Flussdichte von nur ∼30 μJy zu bestimmen. Ich charakterisierte die Galaxieneigenschaften (Sternmasse, optische Farben, Morphologie) der Radioquellen; RQ AGN Galaxien und SFGs sind ¨ahnlich bezüglich der Scheibenmorphologie und der blauen Farben, w¨ahrend RL AGN Galaxien massiver, röter und meist elliptisch sind. Dies legt nahe, dass RQ und RL Aktivität auf zwei verschiedenen Entwicklungsstufen der BH − Galaxien Koevolution stattfindet. Die RQ Phase findet früher statt, wenn die Galaxie noch gasreich ist und aktiv Sterne bildet, während BHs erst als Radioquelle aktiv werden, wenn die Galaxie bereits den Groteil ihrer Sternpopulation gebildet hat, der Gasvorrat gesunken ist und die SF erheblich zurückgegangen ist. Ich quantifizierte die Sternentstehungsrate (”star formation rate“, SFR) der Radioquellen durch zwei unabh¨angige Indikatoren, die Radio- und die Ferninfrarotleuchtkraft. Ich habe Belege gefunden, dass der Hauptanteil der Radioemission von RQ AGNs durch die SF Aktivität der Galaxie entsteht. Dieses Ergebnis eröffnet die bemerkenswerte Möglichkeit, den Radiobereich des Spektrums zu benutzen um die SFR auch in Galaxien mit hellen,RQ AGNs abzuschätzen, bei denen die optische bis mittlere Infrarot Emission vom AGN dominiert sein kann. Ich habe gezeigt, dass tiefe Radiodurchmusterungen benutzt werden können um die kosmische Sternentstehungsgeschichte zu erforschen; Ich habe den Anteil des sogenannten ”Starburst“-Modus an der gesamten SFR-Dichte abgeschätzt und das Vorkommen von AGNs in Galaxien mit verschiedenem Grad an SF quantifiziert.