Distant, dusty star-forming galaxies

Chen, Jianhang (2023): Distant, dusty star-forming galaxies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Understanding the formation and evolution of galaxies across cosmic time is a major goal of modern astronomy. Our current observations of the early Universe come mainly from the optical and near-infrared rest-frame wavelengths, which are mostly biased towards dust-unobscured systems. The advent of millimetre and submillimetre (submm/mm) telescopes in the last two--three decades has greatly advanced the study of dusty star-forming galaxies (DSFGs), providing us with a more complete census of distant galaxies. Meanwhile, it has posed new challenges: What are the internal and external properties of DSFGs? How do they connect to the galaxies in the local Universe? What is their number density and contribution to the cosmic star-formation rate density? What do they tell us about the early Universe? In this thesis, I will report two surveys: ALMACAL and ALMARED, which survey the populations of DSFGs at the faint and bright end of submm number counts, respectively. Meanwhile, I will also report a new window through which to study galactic magnetic fields with dust polarisation in the early Universe. In the ALMACAL survey, I have exploited the 'free' calibration data from the Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) to conduct a sub-arcsec, multi-wavelength, and blind continuum survey of DSFGs. I used ALMA calibration scans to map the lines of sight towards and beyond the ALMA calibrators. ALMACAL has now covered 1,001 calibrators, with a total sky coverage of around 0.3 deg2, distributed across the sky accessible from the Atacama desert in Chile, and has accumulated more than 1,000 h of integration. The depth reached by combining multiple visits to each field makes ALMACAL capable of searching for faint DSFGs in different wavelength bands. Based on the most up-to-date ALMACAL database, I report the detection of 186 DSFGs with flux densities down to S870um~0.2mJy, comparable with existing ALMA large surveys but less susceptible to cosmic variance. I also report the number counts at five wavelengths between 870um and 3mm, in ALMA bands 3, 4, 5, 6 and 7, providing a benchmark for models of galaxy formation and evolution. By integrating the observed number counts and the best-fit functions, I present the resolved fraction of the cosmic infrared background (CIB) and the CIB spectral shape. Combining existing surveys, I show that ALMA has currently resolved about half of the CIB in the submm/mm regime. In the ALMARED survey, I have combined an ALMA snapshot survey of the reddest ~3000 Herschel-ATLAS sources with spectroscopic follow-up to search for galaxy proto-clusters. All the targets are selected to be 500um risers with S_500um > S_350um > S_250um. I found that about 1% of the 500um risers have been resolved into >=3 sources with ALMA. I then selected 12 over-dense fields with photometric redshifts, z>3. I conducted ALMA band 3 spectroscopic scans to search for emission lines in these 12 fields and confirmed four new proto-cluster cores. I will show that the detection fraction within ALMARED, together with a serendipitous over-dense field in the ALMACAL survey, has cautioned us that the projection effects of DSFGs can greatly contaminate the selection of proto-clusters based on photometric over-density. I derive their star-formation rate, total available molecular gas and halo mass based on the multi-wavelength photometry and spectral lines. I find that these proto-cluster cores are massive and sustain extreme star-forming activity. I show that their star-formation efficiency, the available molecular gas, and halo mass all support the idea that they could be the progenitors of today's 'brightest cluster galaxies' (BCGs). This discovery indicates that we are witnessing the formation of early-stage BCG in the mass centre of these proto-clusters. In addition to these two surveys, I am fortunate to be part of the group that has initiated the study of dust polarisation in distant DSFGs. I first investigated the feasibility of mapping the magnetic fields of the distant DSFGs with dust polarisation, based on the dust polarisation of nearby starburst galaxies. I then led one of the first full-polarisation dust observations towards two SMGs: 9io9 and SPT0326-52. Based on these pioneering observations, I have confirmed the presence of polarised dust emission at $z=2.55$ and z=5.56, indicating that the development of galactic magnetic fields can be efficient in early galaxies. In 9io9, I also resolved the complex structure of the magnetic fields in the interstellar medium. I discuss several possible mechanisms to explain the formation of the observed early galactic magnetic fields. This pioneering survey has fully demonstrated the power of ALMA to observe the polarised dust emission in the early Universe and opened a new window to explore the magnetised Universe. Finally, I look ahead to areas related to DSFGs and outline several intriguing projects to be pursued in the coming years.

Abstract

Die Entstehung und Entwicklung von Galaxien über die kosmische Zeit hinweg zu verstehen, ist ein wichtiges Ziel der modernen Astronomie. Unsere derzeitigen Beobachtungen des frühen Universums stammen hauptsächlich aus dem optischen und nahen infraroten Wellenlängenbereich, der meist auf staubfreie Systeme ausgerichtet ist. Das Aufkommen von Millimeter- und Submillimeter-Teleskopen (Submm/mm-Teleskopen) in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten hat die Erforschung staubiger sternbildender Galaxien (DSFGs) erheblich vorangebracht und uns eine vollständigere Bestandsaufnahme ferner Galaxien ermöglicht. Gleichzeitig hat dies neue Herausforderungen mit sich gebracht: Was sind die inneren und äußeren Eigenschaften von DSFGs? Wie hängen sie mit den Galaxien im lokalen Universum zusammen? Wie hoch ist ihre Anzahl und ihr Beitrag zur Dichte der kosmischen Sternentstehungsrate? Was verraten sie uns über das frühe Universum? In dieser Arbeit werde ich über zwei Durchmusterungen berichten: ALMACAL und ALMARED, die die Populationen von DSFGs am schwachen bzw. hellen Ende der Submm-Zahlen untersuchen. In der Zwischenzeit werde ich auch über ein neues Fenster berichten, durch das galaktische Magnetfelder mit Staubpolarisation im frühen Universum untersucht werden können. Im Rahmen der ALMACAL-Durchmusterung habe ich die "freien" Kalibrierungsdaten des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) genutzt, um eine Kontinuumsdurchmusterung von DSFGs im Sub-Bogensekundenbereich, bei mehreren Wellenlängen und blind durchzuführen. Ich habe ALMA-Kalibrierungsscans verwendet, um die Sichtlinien zu den ALMA-Kalibratoren und darüber hinaus zu kartieren. ALMACAL hat inzwischen 1.001 Kalibratoren mit einer Gesamtabdeckung von etwa 0,3 deg2 über den von der chilenischen Atacama-Wüste aus zugänglichen Himmel abgedeckt und dabei mehr als 1.000 Stunden an Integration gesammelt. Die Tiefe, die durch die Kombination mehrerer Besuche in jedem Feld erreicht wird, ermöglicht es ALMACAL, nach schwachen DSFGs in verschiedenen Wellenlängenbändern zu suchen. Basierend auf der aktuellsten ALMACAL-Datenbank berichte ich über die Entdeckung von 186 DSFGs mit flux-Dichten bis hinunter zu S870um 0,2mJy, vergleichbar mit bestehenden großen ALMA-Durchmusterungen, aber weniger anfällig für kosmische Varianz. Ich berichte auch über die Anzahl der beobachteten Galaxien bei fünf Wellenlängen zwischen 870um und 3mm, in den ALMA-Bändern 3, 4, 5, 6 und 7, die einen Maßstab für Modelle der Galaxienentstehung und -entwicklung darstellen. Durch die Integration der beobachteten Anzahlen und der Best-fit-Funktionen stelle ich den aufgelösten Anteil des kosmischen Infrarot-Hintergrunds (CIB) und die spektrale Form des CIB dar. Durch die Kombination bestehender Durchmusterungen zeige ich, dass ALMA derzeit etwa die Hälfte des CIB im Submm/mm-Bereich aufgelöst hat. In der ALMARED-Durchmusterung habe ich eine ALMA-Snapshot-Durchmusterung der rötesten 3000 Herschel-ATLAS-Quellen mit spektroskopischer Nachverfolgung kombiniert, um nach Galaxien-Proto-Haufen zu suchen. Alle Ziele sind so ausgewählt, dass sie 500um Riser mit S_500um > S_350um > S_250um}. Ich fand heraus, dass etwa 1% der 500um Riser mit ALMA in >=3-Quellen aufgelöst wurden. Anschließend wählte ich 12 überdichte Felder mit photometrischen Rotverschiebungen von z>3 aus. Ich führte spektroskopische ALMA-Band-3-Scans durch, um in diesen 12 Feldern nach Emissionslinien zu suchen, und bestätigte vier neue Proto-Cluster-Kerne. Ich werde zeigen, dass die Entdeckungsrate in ALMARED, zusammen mit einem zufälligen überdichten Feld in der ALMACAL-Durchmusterung, uns davor gewarnt hat, dass die Projektionseffekte von DSFGs die Auswahl von Proto-Haufen, die auf der photometrischen Überdichte basieren, stark verunreinigen können. Ich leite ihre Sternentstehungsrate, das gesamte verfügbare molekulare Gas und die Halomasse aus der Multi-Wellenlängen Photometrie und den Spektrallinien ab. Ich stelle fest, dass diese Proto-Cluster-Kerne massiv sind und eine extreme Sternentstehungsaktivität aufweisen. Ich zeige, dass ihre Sternentstehungseffizienz, das verfügbare molekulare Gas und die Halomasse die Idee unterstützen, dass sie die Vorläufer der heutigen hellsten Haufengalaxien (BCGs) sein könnten. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass wir im Massenzentrum dieser Proto-Haufen Zeugen der Bildung von BCGs im Frühstadium sind. Zusätzlich zu diesen beiden Durchmusterungen bin ich in der glücklichen Lage, zu der Gruppe zu gehören, die die Untersuchung der Staubpolarisation in fernen DSFGs initiiert hat. Zunächst untersuchte ich die Möglichkeit, die Magnetfelder der fernen DSFGs mit Hilfe der Staubpolarisation zu kartieren, basierend auf der Staubpolarisation von nahen Starburst-Galaxien. Anschließend leitete ich eine der ersten vollpolarisierenden Staubbeobachtungen an zwei SMGs: 9io9 und SPT0326-52. Auf der Grundlage dieser bahnbrechenden Beobachtungen habe ich das Vorhandensein von polarisierter Staubemission bei z=2,55 und z=5,56 bestätigt, was darauf hindeutet, dass die Entwicklung von galaktischen Magnetfeldern in frühen Galaxien effizient sein kann. In 9io9 habe ich auch die komplexe Struktur der Magnetfelder im interstellaren Medium aufgeklärt. Ich diskutiere mehrere mögliche Mechanismen zur Erklärung der Entstehung der beobachteten frühen galaktischen Magnetfelder. Diese bahnbrechende Durchmusterung hat die Leistungsfähigkeit von ALMA bei der Beobachtung der polarisierten Staubemission im frühen Universum unter Beweis gestellt und ein neues Fenster zur Erforschung des magnetisierten Universums geöffnet. Abschließend möchte ich einen Blick auf Bereiche werfen, die mit den DSFGs zusammenhängen, und einige interessante Projekte vorstellen, die in den kommenden Jahren verfolgt werden sollen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: galaxy, Submillimetre galaxy, starburst galaxy, galaxy proto-cluster, magnetic fields
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 19. Oktober 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Springel, Volker