Ph.D. Thesis in Physics

Details

Dieses Thesis wurde eingereicht an die Fakultät für Physik Ludwig Maximilians Universität

This thesis was submitted to the Faculty of Physics at the Ludwig Maximilians University of Munich.

Title:

"The kinematic nature of baryons in the circumgalactic media of high-redshift radio galaxies"

Zusammenfassung (DE):

Die Wechselwirkung zwischen dem zentralen Schwarzen Loch einer Galaxie und den Baryonen (Gas, Staub und Sterne) innerhalb der galaktischen Scheibe hat einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der Galaxie. In dieser Arbeit soll der Einfluss von Akkretion eines Schwarzen Lochs auf die Aktivität des aktiven galaktischen Kerns (AGN) demonstriert werden. Zuerst wird durch einen statistischen Test zwischen den 1.4 GHz Leuchtstärken und den pseudo-3D Dichtemessungen von 2716 Radio AGN, welche mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (JVLA) beobachtet wurden, mit z < 0.8 gezeigt, dass die Leuchtkraft eines kosmischen Jet und die Galaxienanzahldichte der Umgebung weitestgehend unkorreliert sind. Stattdessen ist es wahrscheinlicher, dass interne Prozesse, wie etwa die Akkretion von kaltem Gas auf einen AGN, eine weitaus wichtigere Rolle als Regulator der AGN Aktivität spielen.

Als Zweites werden Linien mit Ruhewellenlängenim UV Bereich, gemessen im Zentrum der z = 2.92 Radiogalaxie MRC 0943-242 mit dem Very Large Telescope (VLT) Integralfeldspektrograph MUSE (Multi-unit Spectroscopic Explorer), dazu benutzt, die Emissions- und Absorptionskoeffizienten des ionisierten Gas von Gaswolken in der näheren Umgebung der Galaxie zu bestimmen. Die Beobachtung von blauverschobenen Emissionslinien relativ zur systematischen Geschwindigkeit der Galaxie weist auf Radiojetgetriebene Gasausströmungen hin. Absorptionslinien suggerieren, dass sich eine großskalige (r > 60 kpc), mit Metallen angereicherte Hülle von absorbierendem Gas jenseits der Bugstoßwelle des Radiojets befindet. Die Position dieses absorbierenden Materials suggeriert, dass es durch eine frühzeitig einsetzende AGN Rückkopplung gebildet wurde.

Abschließend wird ein Pilotprojekt präsentiert, welches die mit ALMA (Atacama Large Milimeter-submilimeter Array) für sieben Galaxien mit hoher Rotverschiebung (HzRGs, z > 2.9) gemessene [CI](1-0) Feinstrukturlinie als Indikator für molekuklares Gas nutzt. Die [CI](1-0) Linie wird alternativ oft als Indikator für molekularen Wasserstoff (H₂) mit niedriger Metallizität und Dichte genutzt. Das Ergebnis dieses Studie zeigt, dass für sechs der sieben HzRGs die [CI](1-0) Feinstrukturlinie nicht gemessen werden konnte.

Für die Galaxie TN J0121+1320 mit z = 3.52 konnte die [CI](1-0) Linie jedoch mit einer Halbwertsbreite von ~ 160 km s^-1, verbreitert durch AGN Jet-getriebene Turbulenzen des molekularen Gases im interstellaren Mediums (ISM), nachgewiesen werden. Eine blinde Suche nach [CI](1-0) in der Umgebung der Galaxien resultiert in engen Linien mit einer Halbwertsbreite zwischen 20 – 100 km s^-1 in einem projezierten Abstand d > 10 kpc vom galaktischen Zentrum, indikativ für kinematisch ruhiges molekulares Gas im zirkumgalaktischen Medium (CGM). Das Fehlen von H₂ Gas in sechs von sieben Galaxien bedeutet, dass fast der gesamte Vorrat an molekularem Gas schon durch frühere Phasen rascher Sternentstehung aufgebraucht wurde. Diese Studien zeigen, dass die Akkretion von Material auf Schwarze Löcher und die Energieabgabe von Radio-Jets eine hohe Bedeutung für die Kinematik und Morphologie des Gases im ISM und CGM von Ragiogalaxien haben.

Abstract (EN):

The interaction between a galaxy’s central black-hole and the baryons (gas, dust and stars) within the host galaxy’s disk plays a crucial role in influencing a galaxy’s evolution. In this work, the influence of black-hole accretion on active galactic nucleus (AGN) activity is demonstrated. This is initially done using a statistical test between the 1.4 GHz luminosities, and pseudo-3D density measures of 2716 radio AGN detected by the Karl G. Jansky Very Large Array (JVLA) at z < 0.8 which shows that the jet power of the AGN, traced by the radio luminosities, and the galaxy number density are largely uncorrelated. Rather, secular processes in the form of cold gas accretion onto the AGN are likely to play a more important role in regulating AGN activity.

Secondly, by fitting the rest-frame ultraviolet (UV) spectral lines detected by the Very Large Telescope (VLT) integral field unit spectrograph MUSE (Multi-unit Spectroscopic Explorer), we obtain detections of the nuclear region of the z = 2.92 radio galaxy, MRC 0943-242. On the line and continuum spectra extracted from this region, we parametrise the properties of gas within the galaxy halo in terms of its line absorption and emission. By fitting the emission lines, we obtain evidence of gas blueshifted up to ~ 1000 km s^-1 relative to the galaxy’s systemic velocity, suggesting radio jet-driven bulk outflows of gas. The absorption-line fits indicate the presence of a large-scale (r > 60 kpc), metal-enriched shell of absorbing gas located beyond the bow-shock of the radio jets. The location of this absorber suggests that it was formed by an early AGN feedback event.

Finally, we present a pilot study ofmolecular gas traced by [CI](1-0) detected with ALMA (Atacama Large Milimeter-submilimeter Array)in seven high-redshift radio galaxies (HzRGs) at z > 2.9. The [CI](1-0) fine-structure line is often used as an alternative probe for molecular hydrogen, H₂ under low gas density and metallicity conditions. The results show that six of the seven HzRGs in the sample have non-detections of [CI](1-0).

The galaxy TN J0121+1320 at z = 3.52 however, has a clear [CI](1-0) detection of line-width of FWHM ~ 160 km s^-1 broadened by AGN jet-driven turbulence of molecular gas within the interstellar medium (ISM). A blind search for [CI](1-0) in the field surrounding the galaxies results in detections at projected distances d > 10 kpc from the hosts which have line-widths of FWHM = 20 - 100 km s^-1 indicative of kinematically quiet molecular gas in the circumgalactic medium (CGM). The fact that H₂ gas is not traced in six of the host galaxies in the sample implies that large reservoirs of molecular gas in the host galaxy ISMs were consumed through earlier phases of star-formation. These studies demonstrate the sheer importance of the blackhole-powered AGN and radio jets in altering the kinematics and morphology of gas within the ISM and CGM of a radio galaxy.