Galactic Bulges, spinning black holes and star forming galaxies in their cosmological context: insights from a semi-analytical perspective

Izquierdo Villalba, David
Bonoli, Silvia (dir.) ; Hernández-Monteagudo, Carlos (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2020


Resumen: Durante las últimas décadas, los astrofísicos han desarrollado una teoría sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias. A pesar de ser exitosa en muchos aspectos, todavía tiene ciertas limitaciones que trabajos teóricos y observacionales están tratando de resolver. En esta tesis, contribuimos con estos trabajos teóricos abordando tres temas diferentes: bulbos galácticos, agujeros negros supermasivos y el desarrollo de catálogos simulados para la nueva generación de cartografiados de banda estrecha. Hemos abordado todos estos temas utilizando el modelo semianalítico L-Galaxies . A grandes rasgos, los modelos semianalíticos consisten en seguir la evolución de la componente bariónica del Universo utilizando aproximaciones analíticas aplicadas a “árboles” de fusiones de materia oscura. L-Galaxies es uno de los modelos más avanzados de la literatura, cuya capacidad para predecir las propiedades correctas de las galaxias en diferentes tiempos cosmológicos ha sido probada durante la última década en muchos trabajos. Una de las principales ventajas de L-Galaxies es la capacidad de se ejecutado en los árboles de fusiones de materia oscura extraídos de las simulaciones Millennium cuyas diferencias en tamaños de caja y resolución en masa de materia oscura ofrecen la posibilidad de explorar los procesos físicos experimentados por la las galaxias en una amplia variedad de escalas y entornos. En la primera parte de la tesis, abordamos la formación de bulbos galácticos con especial énfasis en la población de pseudobulbos, cuya evolución en un universo jerárquico no ha sido del todo explorada. Concretamente, estudiamos su proceso de formación y caracterizamos las propiedades de sus galaxias anfitrionas a diferentes tiempos cosmológicos. Dentro del marco que nos proporciona L-Galaxies , las galaxias son capaces de desarrollar un bulbo a través de fusiones con otras galaxias e inestabilidades de disco. Suponiendo que los pseudobulbos solo pueden formarse y crecer a través de una evolución secular, hemos modificado el tratamiento de las inestabilidades del disco de L-Galaxies asumiendo que solo los eventos de inestabilidad esencadenados por procesos seculares conducen a estructuras de barra duraderas que finalmente forman y desarrollan pseudobulbos. Hemos aplicado este escenario en L-Galaxies ejecutado sobre los árboles de fusiones de Millennium y Millennium II. Los resultados del modelo están en concordancia con las observaciones, mostrando que los pseudobulbos en el universo local son estructuras pequeñas ( 0:5 kpc) alojadas en galaxias similares a la Vía Láctea. Estos resultados son alentadores y respaldan nuestra principal suposición subyacente de que la estructura de pseudobulbo se forma principalmente a través de una evolución secular. Hemos ampliado nuestro análisis de pseudobulbos estudiando el comportamiento del criterio de inestabilidad de disco utilizada por L-Galaxies cuando es aplicada a una muestra de galaxia con y sin barra extraída de la simulación hidrodinámica cosmológica TNG100, actualmente una de las simulaciones más completas disponible. A pesar de encontrar una correlación entre las predicciones del criterio analítico y el (no) ensamblaje real de las galaxias con (no) barra, hemos detectado casos en los que el criterio analítico falla, ya sea afirmando estabilidad del disco para galaxias barradas o inestabilidad del disco para las galaxias sin barra. Por ello, hemos propuesto una condición nueva adicional para ser combinada con el criterio de L-Galaxies . Esta combinación mejora la detectabilidad de barras y reduce la contaminación de falsas galaxias barradas. La segunda parte de la tesis explora el ensamblaje en masas y la evolución del espín de los agujeros negros supermasivos a lo largo del tiempo cosmológico. Para ello, hemos actualizado el modelo L-Galaxies , incluyendo nuevos procesos físicos. Hemos asumido que el crecimiento de los agujeros negros se desencadena principalmente a través de la acumulación de gas frío después de fusiones de galaxias o inestabilidades de disco. Este crecimiento tiene lugar a través de una etapa de acrecimiento rápido seguida de un una lenta. Durante estas fases, la evolución del espín del agujero negro es calculada usando de las propiedades morfológicas del bulbo en el que reside. Las predicciones del modelo muestran una buena compatibilidad con los resultados observacionales como la función de masa de los agujeros negros, la distribución de sus valores de espín, la relación entre la masa del bulbo y la del agujero negro y las funciones de luminosidad. Una de las principales novedades de esta tesis ha sido utilizar el modelo explicado anteriormente para explorar la formación y evolución de la población de agujeros negros errantes, es decir, una población que se encuentra fuera de las galaxias en órbitas cerradas dentro de los subhalos de materia oscura. Hemos descubierto que la formación de este tipo de agujeros negros errantes deja una huella en la co-evolución entre el agujero negro y la galaxia anfitriona, pudiendo ser detectada por los estudios de galaxias actuales y futuros.
Finalmente, la tercera parte de la tesis aborda el desarrollo de catálogos simulados especialmente diseñados para la nueva generación de cartografiados fotométricos de banda estrecha. Con este fin, hemos incluido la construcción de un cono de luz dentro de L-Galaxies incorporando en la fotometría de las galaxias simuladas el efecto de líneas de emisión producidas en regiones de formación estelar. Esto último ha asegurado la capacidad de los catálogos para predecir correctamente la fotometría de galaxias en filtros de banda estrecha. Para determinar el flujo exacto en estas líneas hemos utilizado un modelo de emisión nebular y de atenuación por el polvo capaz de predecir el flujo emitido por 9 líneas diferentes: Ly, H , H , [OII], [OIII], [NeIII], [OI], [NII] y [SII]. La validación de nuestro cono de luz se ha realizado comparando con diversas observaciones el número de galaxias detectado en diferentes filtros, la distribución angular de galaxias y las funciones de luminosidad de las líneas H , H , [OII] y
[OIII]5007. Hemos utilizado todos estos procedimientos para generar catálogos especialmente diseñados para J-PLUS, un cartografiado fotométrico de galaxias que presenta una gran cantidad de filtros de banda estrecha. Al analizar estos catálogos hemos demostrado la capacidad del cartografiado para identificar correctamente la población de galaxias con líneas de emisión a diferentes tiempos cosmológicos.
Como resumimos anteriormente, en esta tesis hemos abordado varios aspectos relacionados con la formación de galaxias, tratando de unir enfoques teóricos y observacionales. Sin duda alguna, el avance de los modelos teóricos combinado con los datos de experimentos futuros ayudará a construir una imagen más detallada de cómo se forman y evolucionan las estructuras en nuestro Universo.


Resumen (otro idioma): During the last decades, astrophysicists have developed a theory about how galaxies form and evolve within the Lambda-CDM cosmological framework. Despite being successful in many aspects, this general picutre has still some missing pieces that observational and theoretical works are trying to put all together. In this thesis, we try to answer to some open problems by addressing three different topics: galactic bulges, supermassive black holes and the development of mocks for the new generation of multi-narrow band surveys. We have tackled all these subjects by using the L-Galaxies semi-analytical model (SAM). Roughly, SAMs consist of dark matter merger trees populated with galaxies through analytical recipes. L-Galaxies is one of the state-of-the-art models whose capability to predict the correct galaxy properties at different redshifts has been proven during the last decade in many works. One of the main advantages of L-Galaxies is its flexibility to be run on the dark matter merger trees of the Millennium suite of simulations whose different box sizes and dark matter mass resolution offer the capability to explore different physical processes undergone by galaxies over a wide range of scales and environments. In the first part of the thesis, we address the cosmological build-up of galactic bulges with special focus on pseudobulges, whose cosmological evolution in a Lambda-CDM Universe has not been fully explored yet. In particular, we study their formation process and characterize the properties of their host galaxies at different redshifts. Within the L-Galaxies framework, galaxies are allowed to develop a bulge component via mergers and disk instabilities (DIs). Under the hypothesis that pseudobulges can only form and grow via secular evolution, we have modified the treatment of galaxy DIs. In detail, we assumed that only secular DI events lead to the development and growth of pseudobulges through the formation of long-lasting bar structures. We have applied this pseudobulge formation scenario to L-Galaxies, run on top of the Millennium and Millennium II dark matter merger trees. The outcomes of the model are in agreement with observations, showing that z=0 pseudobulges are small structures ~0.5 [kpc] hosted in main-sequence Milky Way-type galaxies. These results give support to our main underlying assumption that pseudobulge structure mainly form via secular evolution. We have extended our analysis of pseudobulge structures studying the performance of the DI criterion used by L-Galaxies when it is applied on a barred and unbarred galaxy sample of the cosmological hydrodynamical simulation TNG100. Despite finding a correlation between the analytical criteria predictions and the actual bar assembly (non-assembly) shown in the barred (unbarred) galaxies, we have detected cases where the analytical criterion fails, either claiming disk stability for barred galaxies or disk instability for the stable unbarred disks. We have proposed a new extra condition whose combination with the L-Galaxies criterion improves the detectability of bar structures and reduces both the contamination of fake barred galaxies and the number of undetected bar formation events. The second part of the thesis explores the mass assembly and spin evolution of supermassive black holes (BHs) across cosmic time. For this objective, we have updated L-Galaxies with new physical prescriptions. We have assumed that BH-mass assembly is mainly triggered by gas accretion after galaxy mergers or disk instabilities, and it takes place through a stage of rapid growth followed by a regime of slow accretion rates. During these phases, the BH spin evolution is followed by linking it with the morphological properties of the hosting bulge. The model predictions display a good consistency with some local observables, such as the black hole mass function, spin values distribution, BH-bulge mass relation and quasar luminosity functions. One of the main novelties of this thesis has been to use the BH model previously explained for exploring the formation and evolution of the wandering black hole population, i.e the population of BH outside of galaxies in bound orbits within the dark matter subhalos. We have found that the formation of these type of wandering black holes leave an imprint in the co-evolution between the black hole and the host galaxy which can be detected by current and future galaxy surveys. Finally, the third part of the thesis tackles the construction of mocks specially designed for the new generation of narrow-bands surveys. For this, we have inserted the lightcone assembly inside L-Galaxies, including in the photometry of the simulated galaxies the effect of emission lines produced in starforming regions. The latter has ensured the mock capability to correctly predict the galaxy photometry in narrow band filters. To determine the exact flux of emission lines we have used a model for the nebular emission in star-forming regions, coupled with a dust attenuation model, able to predict the flux emitted in 9 different lines. The validation of our lightcone has been done by comparing galaxy number counts, angular clustering, and Halpha, Hbeta, OII and OIII luminosity functions to a compilation of observations. We have applied all these procedures to generate catalogues tailored for J-PLUS, a large optical galaxy survey featuring a large number of narrow band filters. By analysing the J-PLUS mock catalogues, we have proved the ability of the survey to correctly identify a population of emission-line galaxies at various redshifts. As we summarize above, in this thesis we have tackled several aspects related to the details of galaxy formation, trying to bridge theoretical and observational approaches. The advance of theoretical models combined with the data from future experiments will certainly help to complete a detailed picture of how structures in our Universe form and evolve.

Pal. clave: astronomia y astrofisica

Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488
Nota: Presentado: 05 11 2020
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2020

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 Registro creado el 2021-03-17, última modificación el 2021-05-20


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