Connecting stellar feedback in the first galaxies and cosmic reionisation

Bhagwat, Aniket (2024): Connecting stellar feedback in the first galaxies and cosmic reionisation. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Feedback from supernovae and the radiation emitted by stars play a pivotal role in shaping the early Universe. These feedback processes have a direct influence on gas and stellar dynamics, leaving discernible traces in observational data. For the first time, with observations from JWST, we are able to observe the high-redshift Universe statistically and at unprecedented resolution. Different modes of stellar feedback need to be invoked to explain the latest observations of reionisation-era galaxies. Therefore, it is imperative for theoretical models to forward model the impact of parameter choices and variations in feedback prescriptions on observable properties of the high-redshift Universe. In the first part of the thesis, I present SPICE, a novel suite of radiation-hydrodynamical simulations targeting the epoch of reionisation (EoR). SPICE uses RAMSES-RT to track the propagation of stellar radiation with a focus on resolving the interstellar medium (ISM) down to ≈28pc scales. The goal of these simulations is to systematically probe a variety of stellar feedback models, including "bursty" and "smooth" modes of supernova energy injections. SPICE shows that subtle difference in the behavior of supernova feedback can drive profound difference in reionisation histories with burstier forms of feedback causing earlier reionisation. SPICE highlights that stellar feedback and its strength determine the morphological mix of galaxies emerging by z=5. While star-forming disks are prevalent if supernova feedback is smooth, bursty feedback generates dispersion-dominated systems. I present a strong correlation between galaxy morphology and Lyman continuum escape fractions of galaxies where dispersion-supported galaxies show 20-50 times higher escape fractions as compared to their rotation dominated-counterparts. This chapter emphasises the impact of parameter choices on fundamental properties of the Universe such as reionisation histories, galaxy morphologies and kinematics. In the second part of the thesis, I model radiative transfer of Lyα and UV photons through the complex multi-phase ISM of SPICE galaxies. The goal of this project is to understand the effect of radiative transfer effects (e.g. extended emission, Lyα-UV spatial offsets) and observational systematics (e.g misplaced slits ) on the measured Lyα equivalent width (EW0) distributions. I find that spatial Lyα-UV offsets exist independently of feedback model, and are common with median values of ≈ 0.07 - 0.11'. Spatial Lyα-UV offsets are identified as the leading cause of loss of flux for JWST-MSA observations, with median pseudo-slit losses of ≈ 65% with ≈30% cases suffering from >95% pseudo-slit losses. Even in the absence of such spatial offsets, the presence of extended emission can cause median pseudo-slit losses of 40%. Additionally, complex galaxy morphologies or misplaced JWST-MSA pseudo-slit can lead to understimated UV continuum, resulting in spuriously high estimates of EW0 from JWST. Both radiative transfer effects and observational systematics strongly affect observations of Lyα emitters during the EoR. In the third part of the thesis, I present a novel sub-grid model to predict [C II] luminosities from SPICE galaxies. I show that [C II] acts as an excellent tracer for star-formation rates for galaxies with smooth forms of feedback while bursty feedback leads to a suppression in LCII. Galaxies with smoother forms of feedback produce steeply declining radial profiles while galaxies with burstier forms of feedback exhibit relatively flatter profiles. Additionally, smooth feedback leads to broad [C II] lines with FWHMbroad > 600km/s while bursty feedback produces narrow lines FWHMbroad ≈200-300km/s. Separating galaxy populations into bulge-heavy and bulge-less, I show that bulge-heavy galaxies preferentially show centrally heavy surface brightness maps and broad [C II] line while bulge-less galaxies show flat surface brightness maps and narrow [C II] line, therefore, providing another potential explanation toward observed broad [C II] lines in high-redshift galaxies. The simulations and the multi-wavelength studies presented in this thesis allow for a detailed study of the impact of stellar feedback on different components of a galaxy. Therefore, for the first time, SPICE enables a systematic study of relative differences in stellar feedback models and allows for robust predictions of galaxy observables in the EoR.

Abstract

Feedback von Supernovae und die von Sternen emittierte Strahlung spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des frühen Universums. Diese Rückkopplungsprozesse haben einen direkten Einfluss auf Gas- und Sternendynamik und hinterlassen erkennbare Signaturen in Beobachtungsdaten. Zum ersten Mal sind wir dank der Beobachtungen mit dem JWST in der Lage, das Universum mit hohem Rotverschiebungswert statistisch und mit beispielloser Auflösung zu untersuchen. Verschiedene Modi der stellaren Rückkopplung müssen berücksichtigt werden, um die neuesten Beobachtungen von Galaxien aus der Epoche der Reionisation (EoR) zu erklären. Es ist daher entscheidend, dass theoretische Modelle die Auswirkungen von Parameterwahlen und Variationen in den Rückkopplungsmodellen auf die beobachtbaren Eigenschaften des frühen Univsersums modellieren. Im ersten Teil der Arbeit präsentiere ich SPICE, eine neue Reihe von Strahlungs-hydrodynamik-Simulationen, die sich auf die Epoche der Reionisation konzentrieren. SPICE verwendet RAMSES-RT, um die Ausbreitung stellaren Lichts zu verfolgen, mit dem Ziel, das interstellare Medium (ISM) bis auf Skalen von ≈28pc aufzulösen. Das Ziel dieser Simulationen ist es, systematisch eine Vielzahl von stellaren Rückkopplungsmodellen zu untersuchen, darunter „bursty“ und „smooth“ Modi der Supernova-Energieinjektionen. SPICE zeigt, dass subtile Unterschiede im Verhalten der Supernova-Rückkopplung tiefgreifende Auswirkungen auf die Reionisationsgeschichte haben können, wobei „bursty“ Rückkopplungen eine frühere Reionisation bewirken. SPICE verdeutlicht, dass die stellare Rückkopplung und ihre Stärke den morphologischen Mix der Galaxien bis z=5 bestimmen. Während sternbildende Scheiben bei „smooth“ Supernova-Rückkopplung vorherrschen, erzeugt „bursty“ Feedback Systeme, die von Dispersion dominiert werden. Ich zeige eine starke Korrelation zwischen der Galaxienmorphologie und dem Anteil der Lyman-Kontinuum-Photonen, die der Galaxie entfliehen können, wobei dispersionsgestütze Galaxien 20 bis 50-am Mal höhere Anteile zeigen als als ihre rotationsdominierten Gegenstücke. Dieses Kapitel betont den Einfluss von Parameterwahlen auf grundlegende Eigenschaften des Universums, wie Reionisationsgeschichte, Galaxienmorphologien und Kinematik. Im zweiten Teil der Arbeit modelliere ich den Strahlungstransport von Lyα- und UV-Photonen durch das komplexe, mehrphasige ISM von SPICE-Galaxien. Ziel dieses Projekts ist es, den Einfluss von Strahlungstransporteffekten (z.B. räumlich ausgedehnte Emission, Lyα-UV räumliche Versätze) und beobachtungstechnische Systematiken (z.B. falsch platzierte Spalten) auf die gemessenen Lyα-Äquivalentbreitenverteilungen (EW0) zu verstehen. Ich finde, dass räumliche Lyα-UV-Versätze unabhängig vom Rückkopplungsmodell existieren und häufig vorkommen, mit Medianwerten von ≈0.07 - 0.11'. Räumliche Lyα-UV-Versätze werden als Hauptursache für den Verlust von Fluss bei JWST-MSA-Beobachtungen identifiziert, wobei die medianen Pseudo-Spalt-Verluste ≈65% betragen und in ≈30% der Fälle zu Verlusten von über 95% des Flusses führen. Selbst ohne solche räumlichen Versätze kann das Vorhandensein ausgedehnter Emission zu medianen Pseudo-Spalt-Verlusten von 40% führen. Darüber hinaus können komplexe Galaxienmorphologien oder falsch platzierte JWST-MSA-Pseudo-Spalten zu einer Unterschätzung des UV-Kontinuums führen, was zu fälschlicherweise hohen Schätzungen von EW0 durch JWST führt. Sowohl Strahlungstransporteffekte als auch Beobachtungssystematiken haben einen starken Einfluss auf die Beobachtungen von Lyαvon Galaxien während der Epoche der Reionisation. Im dritten Teil der Arbeit präsentiere ich ein neuartiges Subgrid-Modell zur Vorhersage von [C II]-Leuchtstärken von SPICE-Galaxien. Ich zeige, dass [C II] als hervorragender Indikator für Sternentstehungsraten bei Galaxien mit „smooth“ Rückkopplungsformen fungiert, während bursty Rückkopplung zu einer Unterdrückung von LCII führt. Galaxien mit glatteren Rückkopplungsformen produzieren steil abfallende radiale Profile, während Galaxien mit bursty Rückkopplung relativ flachere Profile aufweisen. Darüber hinaus führen „smooth“ Rückkopplungen zu breiten [C II]-Linien mit FWHMbroad > 600km/s, während bursty Rückkopplung schmale Linien mit FWHM ≈200-300km/s erzeugt. Durch die Trennung von Galaxienpopulationen in bulgelastige und bulgearme zeige ich, dass bulgelastige Galaxien bevorzugt zentral konzentrierte Flächenhelligkeit und breite [C II]-Linien aufweisen, während bulgearme Galaxien flache Flächenhelligkeit und schmale [C II]-Linien zeigen, was eine weitere mögliche Erklärung für beobachtete breite [C II]-Linien in frühen Galaxien liefert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Simulationen und die Multiwellenlängenstudien ermöglichen eine detaillierte Untersuchung der Auswirkungen stellaren Feedbacks auf verschiedene Komponenten einer Galaxie. Zum ersten Mal ermöglicht SPICE somit eine systematische Untersuchung der relativen Unterschiede den verschiedenen stellaren Rückkopplungsmodellen und erlaubt robuste Vorhersagen über Galaxienbeobachtungen in der Epoche der Reionisation.

• 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: 27. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Springel, Volker