Galaxy kinematics during the peak epoch of cosmic star formation

Übler, Hannah Deborah Natalie (2019): Galaxy kinematics during the peak epoch of cosmic star formation. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Kinematik von Sterne bildenden Galaxien (SFGs) während der Hochzeit der kosmischen Sternentstehung, bei Rotverschiebungen 0.5<z<3. Basierend auf den genommenen Beobachtungen wird abgeleitet, welche Massenkomponenten die Galaxien dynamisch stabilisieren, und wie sich deren Beitrag im Laufe von 6 Milliarden Jahren verändert. Um einen Zusammenhang zwischen einerseits der beobachtbaren Masse in der Form von Sternen und Gas und andererseits der Dunklen Materie in Galaxien herzustellen, werden die Tully-Fisher-Beziehungen genutzt. Es zeigt sich, dass die dynamische Stabilität der SFGs bei z~2.3 durch Gas und Sterne dominiert wird, während bei z~0.9 Dunkle Materie relevanter wird. Bei gleichbleibender Kreisgeschwindigkeit haben SFGs bei z~2.3 und z~0.9 die gleiche stellare Masse, aber ihre Gasmasse ist bei höherer Rotverschiebung größer. Auf der Grundlage von vorhandenen Modellen der Galaxienentwicklung wird ein Toy-Modell entwickelt, das die zeitlichen Änderung in der stellaren und gasförmigen Masse typischer SFGs in Betracht zieht, um die beobachtete, nicht-monotone Entwicklung der Tully-Fisher-Beziehungen von z~2.3 bis z=0 zu erklären. Durch die graduelle Umwandlung von Gas zu Sternen verändert sich das interstellare Medium und dessen Einfluss auf die Galaxienkinematik. Die Entwicklung der intrinsischen Geschwindigkeitsdispersion des ionisierten Gases in typischen SFGs wird diskutiert sowie die Streuung und mögliche Ursachen dieser turbulenten Bewegungen. Durch Beobachtungsdaten sowie theoretische Überlegungen wird gezeigt, dass die galaktische Turbulenz bei z>2 höchstwahrscheinlich durch gravitative Instabilitäten dominiert wird, während diese zu späterer kosmischer Zeit weniger bedeutsam werden, und so der Einfluss von stellaren Feedbackprozessen an Relevanz gewinnen kann. Eine genauere Analyse der Kinematik individueller, massiver SFGs wird vorgenommen, um die Beiträge sichtbarer und Dunkler Materie zur Galaxiendynamik mit höherer räumlicher Auflösung und bis zu größeren galaktischen Radien zu untersuchen. Besonders bei z>2 finden sich sehr turbulente und extrem baryonisch dominierte Systeme mit fallenden Rotationskurven auf der Basis von ionisiertem Gas. In einer detaillierten Fallstudie, die Messungen des ionisierten sowie molekularen Gases kombiniert, wird gezeigt, dass die Kinematik dieser beiden Gasphasen ausgezeichnet übereinstimmt. Dieses Ergebnis ist eine wichtige Demonstration dessen, dass die Bewegungen des ionisiertes Gases das Gravitationspotential abbilden. Durch einen Vergleich der Beobachtungsdaten mit modernen kosmologischen Simulationen werden Unterschiede im Gasgehalt und in der Kinematik massiver z~2 SFGs identifiziert, die vermutlich auf Unzulänglichkeiten in den Simulationen aufgrund nicht aufgelöster physikalischer Prozesse im interstellaren Medium und deren Implementierung hinweisen.

Abstract

In this thesis we discuss the kinematics of star-forming galaxies (SFGs) during the peak epoch of cosmic star formation rate density, at redshifts 0.5<z<3. Based on our observations, we deduce information on their mass budget and dynamical support, and we follow its evolution over 6 billion years of cosmic history. We use the Tully-Fisher relations to connect the observable stellar and total baryonic mass to dark matter on galactic scales, and find that at z~2.3 the galactic dynamical support is dominated by gas and stellar mass, while at z~0.9 dark matter becomes more important. At fixed circular velocity, SFGs have the same amount of stellar mass at z~2.3 and z~0.9, but their gas masses are higher at higher redshift. Based on existing models of galaxy evolution, we develop a toy model taking into account changes in the stellar and gas content of typical SFGs, to explain the observed, non-monotonic evolution of the Tully-Fisher relations from z~2.6 to z=0. Through the gradual conversion of gas into stars, the dynamical state of the interstellar medium and its impact on the galaxy kinematics changes. We discuss the evolution of the intrinsic velocity dispersion of ionized gas in typical SFGs, its scatter, and possible mechanisms driving these turbulent motions. Based on both observational and theoretical evidence we conclude that at z>2 gas turbulence is likely dominated by gravitational instabilities, while towards lower redshift these mechanisms become less important and therefore the impact of stellar feedback may become comparable. We zoom in on the kinematics of individual, massive SFGs to investigate in more detail the dynamical contributions of luminous and dark matter with higher spatial resolution and out to larger galactic radii. Especially at z>2 we find very turbulent, strongly baryon-dominated systems with dropping outer rotation curves traced by ionized gas emission. In a detailed case study combining measurements from ionized and molecular gas, we show that the observed kinematics in both tracers are in excellent agreement. This result is an important demonstration that the ionized gas reliably traces the gravitational potential. Through comparison of our observations with modern cosmological simulations, we identify differences in gas content and kinematics of massive z~2 SFGs that likely point towards shortcomings in the simulations introduced by unresolved physics in the interstellar medium, and their implementation via sub-grid recipes.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 19. Juli 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Genzel, Reinhard