Distribution and evolution of molecular gas in galaxies

Bollo Doizi, María Victoria (2025): Distribution and evolution of molecular gas in galaxies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Diese Dissertation untersucht die Verteilung und Entwicklung von kaltem molekularen Gas – dem primären Treibstoff für Sternentstehung – sowie dessen Rolle bei der Gestaltung der Galaxienentwicklung. Die Arbeit basiert auf zwei großen Beobachtungskampagnen, die mit dem Atacama Large Millimetre/submillimetre Array Observatorium (ALMA) durchgeführt wurden: ALMACAL und MUSE–ALMA Haloes, die zusammen einen umfassenden und detaillierten Blick auf den Gasfluss in und aus Galaxien über die letzten 12 Milliarden Jahre ermöglichen. Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit ALMACAL, einer weiträumigen, tiefen Millimeter/Submillimeter durchmusterung, die aus neu aufbereiteten ALMA Kalibrationsscans erstellt wurde. Unter Nutzung von mehr als 2000 Stunden Integrationszeit über mehr als 1000 Kalibratorfelder zeigt die ALMACAL–22 Veröffentlichung, wie Kalibratonsdaten für die Erstellung hochwertiger Datenkuben wiederverwendet werden können. ALMACAL–22, das aus zufällig verteilten Pointings aufgebaut ist, minimiert die kosmische Varianz und stellt einen tiefen, wachsenden Datensatz zur Untersuchung von staubreichen Sternentstehungsgalaxien, extragalaktischen Absorptionslinien, der Physik aktiver galaktischer Kerne und der Entwicklung von molekularem Gas bereit. Der zweite Teil nutzt die statistische Stärke von ALMACAL, um eine CO-selektierte Stichprobe von Galaxien aufzubauen, frei von optischen Vorselektionseffekten. Durch Anwendung einer Emissionslinien-Klassifikationsmethode werden neue Einschränkungen für die CO-Leuchtkraftfunktion und die kosmische molekulare Gasmassendichte (ρH2) abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg von ρH2 von z ∼ 0 bis z ∼ 1.5, gefolgt von einem Rückgang bei höheren Rotverschiebungen. Diese Entwicklung stimmt mit der kosmischen Sternentstehungsratendichteentwicklung überein, die in der Literatur durch eine Vielzahl von Messungen gut belegt ist. Diese Trends unterstützen ein Baryonenzyklus-Szenario, in dem kaltes Gas kontinuierlich nachgeliefert wird, während die Gasverarmungszeiten über die Zeit relativ konstant bleiben, was auf stabile Sternentstehungseffizienzen auf kosmologischen Skalen hindeutet. Der dritte Teil untersucht molekulares Gas in Galaxien, die durch Lyα-Absorption von neutralem Wasserstoffgas (HI) entlang der Sichtlinie ausgewählt wurden. Mithilfe von Beobachtungen aus einem ALMA Large Program (Cycle 10, PI: C. Péroux), das diese Systeme bei z ∼ 0.5 ins Visier nahm, konnte molekulares Gas in Emission in etwa einem Viertel der Stichprobe nachgewiesen werden. Diese Galaxien weisen tendenziell niedrigere Sternentstehungsraten und längere Gasverarmungszeiten auf als typische Sternentstehungsgalaxien. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich diese Systeme in einer regulierten oder Übergangsevolutionsphase befinden, die durch Prozesse wie Gasakkretion, Feedback und niedrige Metallizitätsbedingungen im interstellaren Medium geprägt sind. Diese Bedingungen führen dazu, dass ihr Querschnitt für HI–Absorption größer ist, weshalb sie bevorzugt ausgewählt wurden. Diese Dissertation liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Galaxien molekulares Gas über die kosmische Zeit und in unterschiedlichen Umgebungen erwerben, behalten und verbrauchen. Sie setzt einen Maßstab für die Untersuchung von kaltem molekularem Gas in Galaxien und hebt wichtige zukünftige Projekte hervor. Gegen Ende gibt diese Arbeit einen Überblick über das derzeitige Verständnis von Gas in verschiedenen Phasen, einschließlich atomarer, ionisierter und molekularer Komponenten, unter Verwendung sowohl von Beobachtungen als auch von Simulationen. Die Schlussfolgerungen betonen die Bedeutung von Multiwellenlängendaten und kommender Einrichtungen sowie Upgrades und skizzieren einen klaren Weg, um die Rolle und Entwiclung von molekularem Gas in Galaxien über Milliarden von Jahren hinweg zu erforschen.

Abstract

This thesis investigates the distribution and evolution of cold molecular gas, the primary fuel for star formation, and its role in shaping galaxy evolution. This work is based on two major surveys conducted with the Atacama Large Millimetre/submillimetre Array observatory (ALMA): ALMACAL and MUSE–ALMA Haloes, which together provide a broad and detailed view of the gas flow in and out of galaxies over the last 12 billion years. The first part of this thesis focuses on ALMACAL, a wide-area, deep millimetre/ submillimetre survey built from reprocessed ALMA calibration scans. Using over 2000 hours of integration time across more than 1000 calibrator fields, the ALMACAL−22 release demonstrates how calibration data can be repurposed to produce high-quality data cubes. ALMACAL−22, built from randomly distributed pointings, minimises cosmic variance and provides a deep, expanding dataset for investigating dusty star-forming galaxies, extragalactic absorption lines, active galactic nucleus physics, and the evolution of molecular gas. The second part exploits ALMACAL’s statistical power to build a CO-selected sample of galaxies, free from optical pre-selection biases. By applying an emission-line classification method, this work derives new constraints on the CO luminosity function and the cosmic molecular gas mass density (ρH2). The results reveal a rise in ρH2 from z ∼ 0 toward z ∼ 1.5, followed by a decline at higher redshifts. This evolution is consistent with the cosmic star formation rate density evolution, well established in the literature through a variety of measurements. These trends support a baryon cycling scenario in which cold gas is continuously replenished, with gas depletion times remaining relatively constant over time, implying stable star formation efficiencies on cosmological scales. The third part investigates molecular gas in galaxies selected through Lyα absorption by neutral hydrogen gas (HI) seen along the line of sight. Using observations from an ALMA Large Program (Cycle 10, PI: C. Péroux) targeting these systems at z ∼ 0.5, molecular gas is detected in emission in about a quarter of the sample. These galaxies tend to have lower star formation rates and longer gas depletion times than typical star-forming galaxies. The findings suggest these systems are in a regulated or transitional evolutionary phase, shaped by processes such as gas accretion, feedback, and low metallicity conditions in the interstellar medium. These conditions cause their cross-section for HI absorption to be larger, which is why they were preferentially selected. This thesis provides new insights into how galaxies acquire, retain, and deplete molecular gas across cosmic time and diverse environments. It sets a benchmark for the study of cold molecular gas in galaxies and highlights key future projects. Towards the end, this dissertation reviews the current understanding of multiphase gas, including atomic, ionised, and molecular components, using both observations and simulations. The conclusions look ahead to emphasise the importance of multi-wavelength data and upcoming facilities and upgrades, outlining a clear path for probing the role and evolution of molecular gas in galaxies over billions of years.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ALMA Galaxies, Galaxy, Evolution, Molecular Gas Interferometry
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. Oktober 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Dolag, Klaus