Multiwavelength analysis of the Active Galactic Nuclei's Feedback on the evolution of quasar host galaxies

Girdhar, Aishwarya (2023): Multiwavelength analysis of the Active Galactic Nuclei's Feedback on the evolution of quasar host galaxies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Active Galactic Nuclei (AGN) are phases in which the supermassive black holes (SMBH) residing at the centres of massive galaxies grow through accretion. AGN release a tremendous amount of energy in the form of radiation and particles. This energy may affect the host galaxy by removing gas through multi-phase AGN outflows, by inducing turbulence and/or by regulating the accretion of gas onto the galaxy. Together, these processes are referred as AGN Feedback. Without this feedback, galaxy formation theory predicts galaxies to be too massive, too compact, and too bright compared to those observed. In the most-luminous AGN, i.e., quasars, there is a lack of consensus on the mechanisms driving the multi-phase outflows (i.e., radio jets; accretion disk winds; and/or AGN-radiation fields) and their overall impact on the star formation (i.e., positive versus negative feedback). This is particularly true for the majority of the quasar population, which do not have luminous radio jets and are classified as `radio quiet'. This thesis studies a sample of 9 quasar-host galaxies, from the Quasar Feedback Survey (QFeedS) that are bolometrically luminous, (i.e. L_bol>= 10^45 erg/s). These galaxies are traditionally classified as `radio quiet' due to their low/modest radio luminosities (L_1.4GHz = 10^{23.3-24.4} W/Hz). However, high-quality radio observations reveal that they host low-power radio jets (P_jet = 10^{43-44} erg/s). The selected sample gives the advantage of observing galaxies with AGN luminosities representative of typical AGN at the peak epoch of cosmic growth (z ∼2-3); while still having sub-kpc resolution observations, due to their low redshift (z<0.2). This thesis combines integral field spectroscopic MUSE data, to obtain stellar and ionised gas kinematics, along with interferometric ALMA data to study cold molecular gas kinematics. Together this enables a spatially-resolved study of the impact of the AGN on the multi-phase galaxy interstellar medium (ISM). This is combined with the archival high-resolution radio data from VLA that help trace the collimated jets. Combining these data, this thesis studies the non-gravitational motions in the galaxy ISM to detect the presence of multi-phase outflows and turbulence. Firstly, for a single case study, the kinematic properties are studied for a galaxy hosting a radio jet, which is observed to plough through the gas-rich galaxy disk at a low inclination angle. The jet-ISM interactions cause increased turbulence in the plane perpendicular to the jet axis and drive multi-phase outflows that are three times more extended and fast in the ionised gas phase than in the molecular gas phase. This thesis then looks into the interaction of the molecular gas with extended (>=10 kpc) radio structures at large scales in four galaxies. Two of these reveal molecular gas structures to be entrained along, and wrapped around, the radio bubbles, similar to those seen in brightest cluster galaxies, which are predominantly `radio loud'. The properties of these structures (velocity-widths, radial extent, mass outflow rate, kinetic power) are observed to be very similar to their `radio loud' counterparts. Further, all four of these galaxies are observed to host central molecular gas outflows. In the final project of this thesis, a systematic study for these feedback signatures on the multi-phase host galaxy gas is performed on all 9 quasar host galaxies. The central molecular gas outflows are observed across all 9 targets but are seen to be much more compact and slower (2- 5 times) than the corresponding ionised gas outflows. Large-scale interactions (i.e., beyond the galaxy disk), between the AGN and the molecular gas are only found when there are radio jets on these extended scales. Throughout the thesis, the observations have been qualitatively compared to hydrodynamic jet-ISM simulations finding that the observations are consistent with simulated predictions for interactions between low-power jets and gas-rich galaxy disks. However, further work on larger samples is required to test the quantitative predictions of these simulations. This thesis finishes with discussing such future plans, as well as how the lessons learnt could be applied to observing quasars at cosmic noon, with the advent of next-generation astronomical facilities. Overall, this thesis demonstrates that multi-phase gas outflows are prevalent across all the 9 studied quasars, and despite the abundance of radiative energy available in the quasars, the low-power radio jets are seen to cause a significant impact on the host galaxy on scales ranging from sub-kpc to ∼10 kpc.

Abstract

Diese Arbeit studiert eine Stichprobe von 9 Quasarwirtsgalaxien aus dem Quasar Feedback Survey (QFeedS), die bolometrisch hell sind, (das heißt L_bol>=10^45 erg/s). Diese Galaxien werden traditionell als radioleise klassifiziert aufgrund ihrer niedrigen bis mäßigen Radiohelligkeiten (L_1.4GHz = 10^{23.3-24.4} W/Hz). Hochqualitative Radiobeobachtungen zeigen jedoch, dass sie schwache Radiojets beherbergen (P_jet = 10^{43-44} erg/s). Die ausgewählte Stichprobe hat den Vorteil, dass Galaxien mit AGN-Helligkeiten ähnlich der typischen AGNs zu Hochzeiten des kosmischen Wachstums (z∼2-3) beobachtet werden, wobei gleichzeitig sub-kpc Auflösungen erreicht werden durch ihre geringe Rotverschiebung (z<0.2). Diese Arbeit vereint integralfeldspektroskopische MUSE-Daten um die Kinematik von Sternen und Gas zu analysieren mit interferometrischen ALMA-Daten um das kalte molekulare Gas zu studieren. Zusammen erlaubt dies eine räumlich aufgelöste Studie der Auswirkung, die AGN auf das mehrphasige galaktische interstellare Medium (ISM) haben. Dies wird mit hochaufgelösten Radiodaten vom VLA aus dem Archiv kombiniert, um kollimierte Jets nachzuvollziehen. Indem diese Daten kombiniert werden, untersucht diese Arbeit die nicht-gravitativen Bewegungen des galaktischen ISMs, um das Vorhandensein von mehrphasigen Ausflüssen und Turbulenz zu detektieren. Zuerst werden die kinematischen Eigenschaften untersucht für ein Einzelfallbeispiel, in dem ein Radiojet beobachtet wird, der durch die gasreiche Galaxienscheibe mit einem niedrigen Inklinationswinkel pflügt. Die Interaktionen zwischen Jet und ISM verursachen erhöhte Turbulenzen in der Ebene senkrecht zur Jetachse und treiben mehrphasige Ausflüsse, die in der ionisierten Phase dreimal ausgedehnter und schneller sind als in der molekularen Gasphase. Diese Arbeit studiert dann die Interaktion von molekularem Gas mit ausgedehnten (>=10 kpc) Radiostrukturen auf großen Skalen in vier Galaxien. Zwei davon zeigen molekulare Gasstrukturen, die Radioblasen mitreißen und diese umschlingen, ähnlich denen, die man in den hauptsächlich radiolauten, hellsten Galaxien von Galaxienhaufen findet. Die Eigenschaften dieser Strukturen (Geschwindigkeitsbreiten, radiale Ausdehnung, Massenausflussrate, kinetische Wirkung) zeigen sich als sehr ähnlich zu ihren radiolauten Gegenstücken. Außerdem werden zentrale molekulare Gasausflüsse in allen vier Galaxien beobachtet. Im letzten Projekt dieser Doktorarbeit wird eine systematische Studie dieser Feedbacksignaturen auf das mehrphasige Gas der Wirtsgalaxien aller 9 Quasarwirtsgalaxien durchgeführt. Zentrale molekulare Gasausflüsse werden in allen 9 Galaxien beobachtet, doch diese scheinen sehr viel kompakter und langsamer (2-5 mal) zu sein als die zugehörigen ionisierten Gasausflüsse. Großskalige Interaktionen (über die Galaxienscheibe hinweg) zwischen den AGN und dem molekularen Gas werden nur gefunden, wenn es Radiojets auf diesen ausgedehnten Skalen gibt. Durchweg in dieser Arbeit wurden Beobachtungen qualitativ mit hydrodynamischen Jet-ISM Simulationen verglichen und es zeigte sich, dass die Beobachtungen konsistent sind mit den Prognosen der Simulationen zu den Interaktionen zwischen schwachen Jets und gasreichen Galaxienscheiben. Dennoch ist zusätzliche Arbeit mit größeren Stichproben nötig, um die quantitativen Voraussagen dieser Simulationen zu testen. Diese These endet mit der Diskussion solcher Zukunftspläne und beschreibt, wie die gelernten Lektionen angewendet werden könnten, um Quasare zu Zeiten des kosmischen Mittags mit astronomischen Anlagen der nächsten Generation zu studieren. Im Gesamten zeigt diese Arbeit, dass mehrphasige Ausflüsse verbreitet sind in allen der 9 studierten Quasaren, und dass obwohl Strahlungsenergie in den Quasaren zur Genüge vorhanden ist, schwache Radiojets beobachtet werden, die einen signifikanten Einfluss auf die Wirtsgalaxie auf Skalen von sub-kpc bis ∼10 kpc nehmen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Galaxies; SMBH; Quasars; AGN; AGN Feedback
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. November 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Burkert, Andreas