The high-redshift formation and evolution of Super-Massive Black Holes through semi-analytic models and photometric data

Spinoso, Daniele Pasquale
Bonoli, Silvia (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2022

Resumen: La formación y evolución de los Agujeros Negros Supermasivos (SMBHs) en el Universo temprano (z>6) representa una de las cuestiones abiertas más enigmáticas de la Astrofísica moderna. De hecho, una creciente cantidad de evidencias observacionales apunta a la existencia de BHs de mil millones de masas solares a tan sólo 1Gyr del BigBang, impulsando cuásares extremadamente luminosos (QSOs). A pesar de los intensos esfuerzos teóricos de la última década, los modelos actuales siguen teniendo dificultades para encajar la formación de estos objetos extremos en un tiempo cosmológico tan corto. Además, aún no está claro cómo se relacionan estos SMBHs de alto z con la población más común de SMBHs de desplazamiento al rojo inferior, que se cree que está alojada de forma ubicua en los núcleos de las galaxias masivas. Explicar la formación y el crecimiento de una población global de SMBHs en su contexto cosmológico presenta dificultades teóricas extremas que surgen de la necesidad de orquestar la física a pequeña escala del enfriamiento del gas, la formación de estrellas y su retroalimentación radiativa y química sobre el gas primordial, con la formación y evolución de la estructura a gran escala. Desde el punto de vista numérico, la formación de los SMBHs se estudia generalmente mediante simulaciones de alta resolución a pequeña escala que pueden captar eficazmente la física a pequeña escala implicada en este proceso. Sin embargo, la aplicación de estos resultados a cajas simuladas amplias y cosmológicas es computacionalmente prohibitiva, por lo que la generalización de estos resultados a escalas cosmológicas es aún incierta. Desde el punto de vista de la observación, los experimentos actuales y futuros están proporcionando mejores restricciones sobre la evolución cosmológica de la población de SMBHs a lo largo de la historia cósmica. En particular, los estudios espectroscópicos extensos y los estudios fotométricos de banda estrecha de área amplia ofrecen una visión complementaria de la población de núcleos galácticos activos luminosos (AGN) y QSO, lo que permite restringir los modelos teóricos para la formación y el crecimiento de los SMBHs. Esta tesis presenta un enfoque novedoso que aborda este complejo fenómeno mediante una combinación de métodos numéricos y técnicas observacionales. Más detalladamente, incrustamos un modelo completo para la formación y el crecimiento de los SMBHs en el modelo semi-analítico (SAM) L-Galaxies. A continuación, aplicamos nuestras prescripciones a los árboles de fusión de la simulación N-Body Millennium-II, que ofrece un compromiso óptimo entre la resolución de masa y el volumen simulado. Esto permite estudiar la ocurrencia de la formación de SMBHs a través de todos los procesos físicos actualmente previstos, así como seguir de forma autoconsistente la evolución de los SMBHs dentro de su contexto cosmológico. Por lo tanto, esto representa uno de los primeros intentos de modelar de forma autoconsistente la evolución de una población cosmológica de SMBHs, emergiendo sólo de procesos de formación de alto z. Complementamos este enfoque teórico con un estudio observacional de la función de luminosidad Lyman-alfa (LF) de los AGN/QSOs a 2 < z < 3.3 explotando el cartografiado fotométrico multibanda J-PLUS. Gracias a la amplia área muestreada por este sondeo con bandas fotométricas estrechas, somos capaces de medir por primera vez el extremo muy brillante de la función de luminosidad Lyman-alfa sobre una región de luminosidad y densidad no muestreada previamente. Esto establece nuevas restricciones a la distribución de la luminosidad en el ultravioleta lejano de los SMBHs que acrecieron su masa en la época del pico de actividad cosmológica de los AGN. La combinación de nuestros resultados numéricos y observacionales sugiere que los procesos de alto z (z > 6) que conducen a la formación de SMBHs pueden explicar activamente tanto la formación de objetos extremadamente masivos y QSOs después de 1 Gyr desde el BigBang, como la acumulación cosmológica de la población global de SMBHs observada a desplazamientos al rojo más moderados (2 < z < 3.3). Además, al emplear una combinación de técnicas numéricas y observacionales, nuestro estudio es adecuado para ser generalizado a volúmenes simulados más grandes (en el lado teórico) y a futuros estudios de área amplia del Universo a alto desplazamiento al rojo (en el lado observacional).


Resumen (otro idioma): 

Pal. clave: astronomia y astrofisica ; galaxias ; simulacion ; fotometria

Titulación: Programa de Doctorado en Física

Plan(es): Plan 488

Nota: Presentado: 30 03 2022

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2022