Dynamics of High Redshift galaxies

Lee, Lilian Lai Yee (2025): Dynamics of High Redshift galaxies: constraints of galaxy evolution 1-2 billion years after the Big Bang. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

This thesis presents a study of the kinematics and chemical abundance distributions of massive star-forming galaxies (SFGs) during the 1.5 billion years after the Big Bang at redshifts 4<z<6. It utilises a powerful probe of galaxy assembly, namely their dynamics, which have been very poorly explored at a critical time in cosmic history: the period between the End of Reionisation and peak cosmic star formation. At the core of the analysis and interpretation of data sets is kinematic modelling, which poses challenges at high redshifts due to lower signal-to-noise ratio (S/N) and resolution compared to data from local galaxies. The thesis begins with an extensive investigation of current methodologies for modelling data cubes obtained from state-of-the-art facilities, using a large sample of mock galaxies with realistic observing conditions. A comparison of different modelling tools reveals that, for typical S/N values, while existing methodologies can accurately recover rotation velocities, there is a pronounced difference in velocity dispersion, with the impact of methodology differences being most apparent. Parametric methods excel in terms of stability and better fidelity in recovering key kinematic parameters of interest. The third chapter presents a systematic study of a sample of 32 massive SFGs at 4<z<6, providing the largest systematic, kiloparsec-scale characterisation of the kinematics of typical massive SFGs at these epochs. The results show that ~50% of the sample exhibits disk-like properties. The disks are characterised by high velocity dispersions of ~70 km s-1 in median, with low rotational support. These findings support gravitational instabilities as the primary driver of turbulence in these gas-rich systems, with their properties being in excellent agreement with predicted evolution based on Toomre theory, in which the disk's own gravity outweighs the stabilising effects of rotation and internal motions. The distribution of metals across galaxies is closely linked to their gas motion. To investigate this, the thesis examines the gas-phase radial metallicity profiles of SFGs at 4<z<6 with JWST/NIRSpec. These galaxies show flat-to-slightly positive metallicity gradients, pointing to efficient metal mixing. Their gas richness, dispersion-dominated kinematics, and consistency with a large literature sample, where velocity-dispersion dominated systems likewise display flat or positive gradients, indicate that gravitational instabilities could drive rapid radial mixing through large-scale inflows and clump migration. There is no marked difference in metallicity gradients between the disks and non-disks, a similarity that likely reflects the vigorous cosmic accretion characteristic of this epoch.

Abstract

Diese Arbeit präsentiert eine Studie über die Kinematik und die chemische Häufigkeitsverteilung massereicher sternbildender Galaxien (SFGs) während der ersten 1.5 Milliarden Jahre nach dem Urknall bei Rotverschiebungen von 4<z<6. Sie nutzt eine leistungsstarke Sonde zur Untersuchung der Galaxienentstehung, nämlich deren Dynamik, die bislang in der entscheidenden Phase der kosmischen Geschichte — dem Zeitraum zwischen dem Ende der Reionisierung und dem Höhepunkt der kosmischen Sternentstehung — nur sehr unzureichend erforscht wurde. Im Mittelpunkt der Analyse und Interpretation von Datensätzen steht die kinematische Modellierung, die bei hohen Rotverschiebungen, im Vergleich zu Daten lokaler Galaxies, aufgrund des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/R) und der geringeren Auflösung Herausforderungen mit sich bringt. Die Arbeit beginnt mit einer umfassenden Untersuchung der aktuellen Methoden zur Modellierung von dreidimensionalen Datenätzen, die mit modernsten Instrumenten gewonnen wurden. Hierbei wird eine große Menge Modellgalaxien unter realistischen Beobachtungsbedingungen verwendet. Ein Vergleich verschiedener Modellierungscodes zeigt, dass bei typischen S/R-Werten die bestehenden Methoden zwar die Rotationsgeschwindigkeiten genau wiederherstellen können, es jedoch einen deutlichen Unterschied in der Geschwindigkeitsdispersion gibt, wobei die Auswirkungen der methodischen Unterschiede am deutlichsten zu erkennen sind. Parametrische Methoden zeichnen sich durch Stabilität und eine höhere Genauigkeit bei der Wiederherstellung wichtiger kinematischer Parameter aus. Das dritte Kapitel präsentiert dann eine systematische Untersuchung von 32 massiven SFGs bei 4<z<6 und liefert damit die größte systematische Charakterisierung der Kinematik typischer massiver SFGs in diesen Epochen auf Kiloparsec-Skala. Die Ergebnisse zeigen, dass etwa 50% der Galaxien scheibenartige Eigenschaften aufweisen. Die Scheiben zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeitsdispersionen von etwa 70km s-1 im Median aus, mit geringer Rotationsunterstützung. Diese Ergebnisse stützen die Annahme, dass gravitative Instabilitäten der Hauptgrund für Turbulenzen in diesen gasreichen Systemen sind, deren Eigenschaften hervorragend mit der auf der Toomre-Theorie basierenden vorhergesagten Entwicklung übereinstimmen, wonach die eigene Schwerkraft der Scheibe die stabilisierenden Effekte der Rotation und der internen Bewegungen überwiegt. Die Verteilung von Metallen in Galaxien hängt eng mit ihrer Gasbewegung zusammen. Um dies zu untersuchen, analysiert die Arbeit die radialen Metallizitätsprofile der Gasphase von SFGs bei 4<z<6 mit JWST/NIRSpec. Diese Galaxien weisen flache bis leicht positive Metallizitätsgradienten auf, was auf eine effiziente Metallvermischung hindeutet. Ihr Gasreichtum, ihre dispersionsdominierte Kinematik und ihre Übereinstimmung mit einer großen Menge an Literaturdaten, in der geschwindigkeitsdispersionsdominierte Systeme ebenfalls flache oder positive Gradienten aufweisen, deuten darauf hin, dass gravitative Instabilitäten durch großskalige Zuflüsse und Klumpenmigration eine schnelle radiale Vermischung bewirken könnten. Es gibt keinen deutlichen Unterschied in den Metallizitätsgradienten zwischen Scheiben und Nicht-Scheiben, eine Ähnlichkeit, die wahrscheinlich die für diese Epoche charakteristische starke kosmische Akkretion widerspiegelt.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: High-redshift galaxies, Galaxy kinematics, Galaxy dynamics, Astronomy data analysis, Astronomy data modelling, Galaxy abundances
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. November 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Genzel, Reinhard