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A strong gravitational lensing view on the dynamical properties of high-redshift star-forming galaxies
A strong gravitational lensing view on the dynamical properties of high-redshift star-forming galaxies
Aktuellen Modellen zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien zufolge war das Gas in Galaxien in den frühen kosmischen Epochen aufgrund starker Gas Akkretion, Galaxienverschmelzungen, Rückkopplungen durch Sternentstehung und Supernova-Explosionen sehr turbulent. Aus diesem Grund wird erwartet, dass junge Galaxien strukturelle und dynamische Eigenschaften aufweisen, die stark von diesen Phänomenen beeinflusst werden, und sich deshalb von den beobachteten Eigenschaften naher Galaxien unterscheiden. Bis zu diesem Zeitpunkt haben jedoch verschiedene Herausforderungen in der Beobachtung von jungen Galaxien die Möglichkeit eingeschränkt, diese theoretischen Vorhersagen zu testen. Die geringe räumliche Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, für engl. signal-to-noise) von Beobachtungen schränken die Untersuchung der Dynamik junger Galaxien erheblich ein. Ein möglicher Weg diese Einschränkungen zu überwinden ist es Galaxien zu betrachteten, welche durch den starken Gravitationslinseneffekt abgebildet werden. Die Vergrößerung durch den Gravitationslinseneffekt erhöht sowohl den Raumwinkel der Hintergrundlichtquelle als auch den beobachteten Lichtfluss. Infolgedessen können entfernte Objekte mit erhöhter Winkelauflösung und besseren SNR beobachtet werden. Dies hat jedoch seinen Preis: Der Linseneffekt verzerrt die entfernten Lichtquellen und es ist nicht trivial, ihre intrinsischen physikalischen Eigenschaften ohne systematische Fehler abzuleiten. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der kinematischen und dynamischen Eigenschaften von Galaxien, die durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet werden, bei Rotverschiebungen von $ z \gtrsim 3$, als das Universum nicht mehr als einige Milliarden Jahre alt war. Wir stellen hier eine Methode vor, welche die Rekonstruktion und Modellierung der Kinematik von Galaxien, die durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet werden, aus Beobachtungen von räumlich aufgelösten Emissionslinien ermöglicht. Die größte Innovation unserer Methode besteht darin, dass sie gleichzeitig die Massenverteilung der Linse und die Kinematik der Lichtquelle direkt aus dem ursprünglichen dreidimensionalen (3D) Datenraum rekonstruieren kann. Wir haben die Robustheit dieser Technik anhand mehrerer künstlicher Beobachtungen unterschiedlicher Datenqualität von sternbildenden Galaxien getestet, welche durch eine Vielzahl von kinematischen und geometrischen Eigenschaften gekennzeichnet sind. Wir haben festgestellt, dass die Rekonstruktionsgenauigkeit in den meisten Fällen innerhalb weniger Prozent liegt. Diese Technik stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber den bisher verwendeten Methoden dar, weil die Kinematik der Lichtquelle nicht von den Unsicherheiten in der Fehlerfortpflanzung und der effektiven Auflösung der Lichtquelle beeinflusst wird. Außerdem erlaubt diese neue Methodologie das Studium sämtlicher Entartungen zwischen den Parametern der Linse und den kinematischen Parametern, und schätzt damit die Unsicherheiten auf eine konsistente Weise ab. Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) von Galaxien, die durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet werden, sind besonders nützlich um räumliche Details bei $z \gtrsim 3$ zu untersuchen, die sonst nur für Galaxien im lokalen Universum beobachtbar sind. In dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf ALMA-Beobachtungen der [CII] -Emissionslinie von SPT0418-47, einer staubigen sternebildenden Galaxie (DSFG, für engl. Dusty star-forming galaxy) bei $ z = 4.2 $. Basierend auf unserer kinematischen Analyse haben wir festgestellt, dass SPT0418-47 ähnliche dynamische Eigenschaften wie lokale Spiralgalaxien aufzeigt: SPT0418-47 ist rotationsgestüzt und weist eine geringe Turbulenz auf, das heißt sie ist dynamisch kalt. Dies weist unerwarteterweiße darauf hin, dass der gemessene Gasanteil und die hohe Sternentstehungsrate für diese DSFG keine hohen turbulenten Bewegungen antreiben und die Stabilität der Galaxie beeinträchtigen. Mit Hilfe einer Studie von sechs durch den Gravitationslinseneffekt abgebildeten DSFGs mit Rotverschiebungen zwischen 3 und 5 zeigen wir, dass SPT0418-47 kein seltenes Objekt ist und weisen eine größere Präsenz dynamisch kalter Galaxien im frühen Universum nach. ALMA-Beobachtungen ihrer [CII] - Emissionslinien ermöglichen die Berechnung ihrer Rotationskurven und Geschwindigkeitsdispersionsprofile auf Sub-kpc-Skalen und liefern damit die bislang größte Stichprobe von $z \sim 4$ -Galaxien mit systematischen kinematischen Messungen. Insgesamt zeigt unsere Analyse, dass Galaxien mit hohen Rotverschiebungen nur schwach von extremen physikalischen Prozessen betroffen sind, was im Widerspruch zu Vorhersagen aus aktuellen theoretischen Modellen steht. Durch eine dynamische Dekomposition ihrer Rotationskurven untersuchen wir auch den evolutionären Zusammenhang zwischen diesen DSFGs und ihren plausibelsten Nachkommen, den lokalen elliptischen Galaxien (ETGs, für engl. Early-type galaxies). Wir fanden, dass einige der DSFGs bereits kugelförmige Massenkomponenten entwickelt haben und alle eine ähnliche Menge an baryonischer Masse wie lokale ETGs angesammelt haben. Diese Ergebnisse grenzen die Anzahl der Galaxienverschmelzungen und die Menge des angesammelten Materials stark ein, welches die sukzessive Umwandlung der DSFG-Population in massive lokale ETGs über einen Zeitraum von 12 Milliarden Jahren bewirkt., According to current galaxy formation and evolution models, in the early cosmic epochs, the gas within galaxies was highly turbulent due to vigorous gas accretion, mergers, feedback from star formation and supernova explosions. For this reason, it is expected that young galaxies have structural and dynamical properties strongly affected by these phenomena and distinct from those observed in nearby galaxies. Nevertheless, before now, observational challenges have hampered the possibility to test these theoretical predictions. The low angular resolutions and signal-to-noise ratio (SNR) of the observations significantly limit the study of the dynamics of such young galaxies. One way to overcome these limitations is to target strongly gravitationally lensed galaxies. The magnification provided by gravitational lensing increases the solid angle of background sources and hence their observed flux. As a result, distant objects can be observed with increased spatial resolutions and SNRs. This phenomenon, however, comes at a price: the effect of lensing distorts the distant sources, and it is not trivial to derive their intrinsic physical properties without introducing systematic errors. This thesis focuses on the study of the kinematic and dynamical properties of gravitationally lensed galaxies at redshifts $z$ $\gtrsim 3$ when the Universe was a few billion years old. We start by presenting a methodology that allows the reconstruction of lensed galaxies from spatially-resolved emission-line observations. The main novelty of our technique is that it simultaneously recovers the lens-mass distribution and the source kinematics directly in the native three-dimensional (3D) space of the data. We tested the robustness of this technique on mock observations of star-forming galaxies characterized by a variety of both kinematic and geometrical properties and data quality, finding that the accuracy of the model parameters stays within a few percent in most cases. This technique represents a significant improvement over the methods used until now, as the source kinematics is not affected by the uncertainties in the error propagation and the effective resolution on the source plane. Furthermore, this new methodology allows the study of any degeneracies between the lens and kinematic parameters and estimates their uncertainties consistently. Observations of strongly lensed galaxies with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) are especially useful for studying galaxies at $z \gtrsim 3$ with spatial details achievable otherwise only for galaxies in the local Universe. In this thesis, we focused on ALMA observations of the [CII] emission line from SPT0418-47, a dusty star-forming galaxy (DSFG) at $z = 4.2$. Based on our kinematic analysis, we found that SPT0418-47 has dynamical properties similar to those of local spiral galaxies: it is rotationally supported and has a low level of turbulence, that is, it is dynamically cold. These features indicate that, unexpectedly, the high star-formation rate and the gas fraction measured for this DSFG do not drive high turbulent motions and affect the stability of the galaxy. With a study of six lensed DSFGs at $z$ between 3 and 5, we show that SPT0418-47 is not a rare object and reveal the wider presence of dynamically cold galaxies in the early Universe. ALMA observations of their [CII] emission line allow the derivation of the rotation curves and velocity dispersion profiles on sub-kpc scales, providing the largest sample of $z \sim 4$ galaxies with systematic kinematic measurements, so far. Overall, our analysis indicates that high-$z$ galaxies are only weakly affected by extreme physical processes, challenging any predictions from state-of-the-art theoretical models. Through a dynamical decomposition of their rotation curves, we also investigate the evolutionary connection between these high-$z$ DSFGs and their most plausible descendants, the local early-type galaxies (ETGs). We found that some of the DSFGs have already developed a spheroidal mass component, and all of them have assembled a similar amount of baryonic mass as the local ETGs. These results provide strong constraints on the number of mergers and the amount of accreted material that cause the successive transformation of the DSFG population into the massive local ETGs over a period of 12 billion years.
Not available
Rizzo, Francesca
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Rizzo, Francesca (2020): A strong gravitational lensing view on the dynamical properties of high-redshift star-forming galaxies. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Aktuellen Modellen zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien zufolge war das Gas in Galaxien in den frühen kosmischen Epochen aufgrund starker Gas Akkretion, Galaxienverschmelzungen, Rückkopplungen durch Sternentstehung und Supernova-Explosionen sehr turbulent. Aus diesem Grund wird erwartet, dass junge Galaxien strukturelle und dynamische Eigenschaften aufweisen, die stark von diesen Phänomenen beeinflusst werden, und sich deshalb von den beobachteten Eigenschaften naher Galaxien unterscheiden. Bis zu diesem Zeitpunkt haben jedoch verschiedene Herausforderungen in der Beobachtung von jungen Galaxien die Möglichkeit eingeschränkt, diese theoretischen Vorhersagen zu testen. Die geringe räumliche Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, für engl. signal-to-noise) von Beobachtungen schränken die Untersuchung der Dynamik junger Galaxien erheblich ein. Ein möglicher Weg diese Einschränkungen zu überwinden ist es Galaxien zu betrachteten, welche durch den starken Gravitationslinseneffekt abgebildet werden. Die Vergrößerung durch den Gravitationslinseneffekt erhöht sowohl den Raumwinkel der Hintergrundlichtquelle als auch den beobachteten Lichtfluss. Infolgedessen können entfernte Objekte mit erhöhter Winkelauflösung und besseren SNR beobachtet werden. Dies hat jedoch seinen Preis: Der Linseneffekt verzerrt die entfernten Lichtquellen und es ist nicht trivial, ihre intrinsischen physikalischen Eigenschaften ohne systematische Fehler abzuleiten. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der kinematischen und dynamischen Eigenschaften von Galaxien, die durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet werden, bei Rotverschiebungen von $ z \gtrsim 3$, als das Universum nicht mehr als einige Milliarden Jahre alt war. Wir stellen hier eine Methode vor, welche die Rekonstruktion und Modellierung der Kinematik von Galaxien, die durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet werden, aus Beobachtungen von räumlich aufgelösten Emissionslinien ermöglicht. Die größte Innovation unserer Methode besteht darin, dass sie gleichzeitig die Massenverteilung der Linse und die Kinematik der Lichtquelle direkt aus dem ursprünglichen dreidimensionalen (3D) Datenraum rekonstruieren kann. Wir haben die Robustheit dieser Technik anhand mehrerer künstlicher Beobachtungen unterschiedlicher Datenqualität von sternbildenden Galaxien getestet, welche durch eine Vielzahl von kinematischen und geometrischen Eigenschaften gekennzeichnet sind. Wir haben festgestellt, dass die Rekonstruktionsgenauigkeit in den meisten Fällen innerhalb weniger Prozent liegt. Diese Technik stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber den bisher verwendeten Methoden dar, weil die Kinematik der Lichtquelle nicht von den Unsicherheiten in der Fehlerfortpflanzung und der effektiven Auflösung der Lichtquelle beeinflusst wird. Außerdem erlaubt diese neue Methodologie das Studium sämtlicher Entartungen zwischen den Parametern der Linse und den kinematischen Parametern, und schätzt damit die Unsicherheiten auf eine konsistente Weise ab. Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) von Galaxien, die durch den Gravitationslinseneffekt abgebildet werden, sind besonders nützlich um räumliche Details bei $z \gtrsim 3$ zu untersuchen, die sonst nur für Galaxien im lokalen Universum beobachtbar sind. In dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf ALMA-Beobachtungen der [CII] -Emissionslinie von SPT0418-47, einer staubigen sternebildenden Galaxie (DSFG, für engl. Dusty star-forming galaxy) bei $ z = 4.2 $. Basierend auf unserer kinematischen Analyse haben wir festgestellt, dass SPT0418-47 ähnliche dynamische Eigenschaften wie lokale Spiralgalaxien aufzeigt: SPT0418-47 ist rotationsgestüzt und weist eine geringe Turbulenz auf, das heißt sie ist dynamisch kalt. Dies weist unerwarteterweiße darauf hin, dass der gemessene Gasanteil und die hohe Sternentstehungsrate für diese DSFG keine hohen turbulenten Bewegungen antreiben und die Stabilität der Galaxie beeinträchtigen. Mit Hilfe einer Studie von sechs durch den Gravitationslinseneffekt abgebildeten DSFGs mit Rotverschiebungen zwischen 3 und 5 zeigen wir, dass SPT0418-47 kein seltenes Objekt ist und weisen eine größere Präsenz dynamisch kalter Galaxien im frühen Universum nach. ALMA-Beobachtungen ihrer [CII] - Emissionslinien ermöglichen die Berechnung ihrer Rotationskurven und Geschwindigkeitsdispersionsprofile auf Sub-kpc-Skalen und liefern damit die bislang größte Stichprobe von $z \sim 4$ -Galaxien mit systematischen kinematischen Messungen. Insgesamt zeigt unsere Analyse, dass Galaxien mit hohen Rotverschiebungen nur schwach von extremen physikalischen Prozessen betroffen sind, was im Widerspruch zu Vorhersagen aus aktuellen theoretischen Modellen steht. Durch eine dynamische Dekomposition ihrer Rotationskurven untersuchen wir auch den evolutionären Zusammenhang zwischen diesen DSFGs und ihren plausibelsten Nachkommen, den lokalen elliptischen Galaxien (ETGs, für engl. Early-type galaxies). Wir fanden, dass einige der DSFGs bereits kugelförmige Massenkomponenten entwickelt haben und alle eine ähnliche Menge an baryonischer Masse wie lokale ETGs angesammelt haben. Diese Ergebnisse grenzen die Anzahl der Galaxienverschmelzungen und die Menge des angesammelten Materials stark ein, welches die sukzessive Umwandlung der DSFG-Population in massive lokale ETGs über einen Zeitraum von 12 Milliarden Jahren bewirkt.

Abstract

According to current galaxy formation and evolution models, in the early cosmic epochs, the gas within galaxies was highly turbulent due to vigorous gas accretion, mergers, feedback from star formation and supernova explosions. For this reason, it is expected that young galaxies have structural and dynamical properties strongly affected by these phenomena and distinct from those observed in nearby galaxies. Nevertheless, before now, observational challenges have hampered the possibility to test these theoretical predictions. The low angular resolutions and signal-to-noise ratio (SNR) of the observations significantly limit the study of the dynamics of such young galaxies. One way to overcome these limitations is to target strongly gravitationally lensed galaxies. The magnification provided by gravitational lensing increases the solid angle of background sources and hence their observed flux. As a result, distant objects can be observed with increased spatial resolutions and SNRs. This phenomenon, however, comes at a price: the effect of lensing distorts the distant sources, and it is not trivial to derive their intrinsic physical properties without introducing systematic errors. This thesis focuses on the study of the kinematic and dynamical properties of gravitationally lensed galaxies at redshifts $z$ $\gtrsim 3$ when the Universe was a few billion years old. We start by presenting a methodology that allows the reconstruction of lensed galaxies from spatially-resolved emission-line observations. The main novelty of our technique is that it simultaneously recovers the lens-mass distribution and the source kinematics directly in the native three-dimensional (3D) space of the data. We tested the robustness of this technique on mock observations of star-forming galaxies characterized by a variety of both kinematic and geometrical properties and data quality, finding that the accuracy of the model parameters stays within a few percent in most cases. This technique represents a significant improvement over the methods used until now, as the source kinematics is not affected by the uncertainties in the error propagation and the effective resolution on the source plane. Furthermore, this new methodology allows the study of any degeneracies between the lens and kinematic parameters and estimates their uncertainties consistently. Observations of strongly lensed galaxies with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) are especially useful for studying galaxies at $z \gtrsim 3$ with spatial details achievable otherwise only for galaxies in the local Universe. In this thesis, we focused on ALMA observations of the [CII] emission line from SPT0418-47, a dusty star-forming galaxy (DSFG) at $z = 4.2$. Based on our kinematic analysis, we found that SPT0418-47 has dynamical properties similar to those of local spiral galaxies: it is rotationally supported and has a low level of turbulence, that is, it is dynamically cold. These features indicate that, unexpectedly, the high star-formation rate and the gas fraction measured for this DSFG do not drive high turbulent motions and affect the stability of the galaxy. With a study of six lensed DSFGs at $z$ between 3 and 5, we show that SPT0418-47 is not a rare object and reveal the wider presence of dynamically cold galaxies in the early Universe. ALMA observations of their [CII] emission line allow the derivation of the rotation curves and velocity dispersion profiles on sub-kpc scales, providing the largest sample of $z \sim 4$ galaxies with systematic kinematic measurements, so far. Overall, our analysis indicates that high-$z$ galaxies are only weakly affected by extreme physical processes, challenging any predictions from state-of-the-art theoretical models. Through a dynamical decomposition of their rotation curves, we also investigate the evolutionary connection between these high-$z$ DSFGs and their most plausible descendants, the local early-type galaxies (ETGs). We found that some of the DSFGs have already developed a spheroidal mass component, and all of them have assembled a similar amount of baryonic mass as the local ETGs. These results provide strong constraints on the number of mergers and the amount of accreted material that cause the successive transformation of the DSFG population into the massive local ETGs over a period of 12 billion years.