Investigating the origin of radio emission in nearby starburst galaxies via high-resolution metre and centimetre observations
Doctoral thesis, 2016

Star formation and galaxy evolution are intimately linked together. A detailed understanding of the physics of star formation can help us explain how galaxies evolve into, for example, our present Milky Way. Using Very Long Baseline Interferometry (VLBI) techniques it is possible to achieve high enough angular resolution to study radio emission from other galaxies in great detail. This thesis presents observations of three nearby Luminous Infrared Galaxies (LIRGs): NGC 4418, M 82 and Arp 220. While the centres of these galaxies are all heavily obscured in optical wavelengths, radio observations can be used to probe star formation properties in the centres of these galaxies. The galaxy NGC 4418 is radio weak with respect to the far infrared (FIR)-radio correlation for star forming galaxies. We present evidence for a young starburst in the centre, likely fuelled by gas falling in from a recent interaction with the nearby galaxy VV 655. We argue that this scenario can explain the low radio luminosity of this galaxy, and possibly also of other galaxies which appear to be radio weak. M 82 and Arp 220 follow the FIR-radio correlation and are excellent laboratories to study the physics of star formation in extreme environments. In this thesis we report on new groundbreaking subarcsecond resolution observations of M 82 and Arp 220 with the international LOFAR telescope, where we for the first time spatially resolve the radio emission from their nuclei at metre wavelengths. We report on previously unknown steep-spectrum radio structures and study effects of free-free absorption. We conclude that high angular resolution is essential for a correct interpretation of the radio emission from these complex objects. Furthermore, this work demonstrates that LOFAR can be used to obtain subarcsecond resolution images at metre wavelengths, a capability which can be used in multiple areas of astronomy in the future. Finally, we present results from new and archival global VLBI observations of Arp 220 spanning 17 years. We show that a self-consistent approach is essential to understand the nature of the radio emission. We find the data rich in details: we detect more than 80 compact objects, many with luminosities and sizes measured at multiple times and frequencies. We present a first analysis of the data where we discuss the general properties of the source population.

galaxies: individual: M 82

galaxies: starburst

galaxies: individual: Arp 220

stars: supernovae

galaxies: individual: NGC 4418

radio continuum: galaxies

techniques: high angular resolution

EB-salen, Hörsalsvägen 11, Chalmers
Opponent: Professor Juan-María Marcaide, University of Valencia, Spain


Eskil Varenius

Chalmers, Earth and Space Sciences, Extragalactic Astrophysics

Subarcsecond international LOFAR radio images of the M82 nucleus at 118 MHz and 154 MHz

Astronomy and Astrophysics,; Vol. 574(2015)p. Art. no. A114-

Journal article

E. Varenius, J. E. Conway, I. Martí-Vidal, S. Aalto, L. Barcos-Munoz, S. König, J. S. Gallagher, T. M. Yoast-Hull, M. A. Pérez-Torres, A. T. Deller, J. Moldón, C. Horellou, L. K. Morabito, A. Alberdi, N. Jackson, R. Beswick, T. D. Carozzi, O. Wucknitz, N. Ramírez-Olivencia: Subarcsecond international LOFAR radio images of Arp 220 at 150 MHz. A kpc-scale star forming disk surrounding nuclei with shocked outflows

E. Varenius, F. Costagliola, H.-R. Klöckner, S. Aalto, I. Martí-Vidal, J. E. Conway, H. Spoon: An atomic hydrogen bridge fueling NGC 4418 with gas from VV 655

E. Varenius, F. Batejat, J. E. Conway, I. Martí-Vidal, M. A. Pérez-Torres, S. Aalto, A. Alberdi: The population of SNe/SNRs in the starburst galaxy Arp 220. A self-consistent analysis of 17 years of VLBI monitoring.

Genom att studera radiovågor från andra galaxer kan vi lära oss mer om universums historia. Hur galaxer utvecklas, t.ex. till vår nutida Vintergatan, beror mycket på hur och var stjärnor bildas, och hur stjärnorna påverkar sin omgivning. I vissa galaxer bildas ovanligt många stjärnor samtidigt, vilket också betyder att ovanligt många stjärnor slutar sitt liv i våldsamma explosioner, så kallade supernovor. Dessa explosioner och efterföljande chockvågor sänder ibland ut radiovågor som vi kan detektera på jorden.
Det är inte möjligt att göra skarpa bilder av radiovågor från andra galaxer med vanliga kameror. Istället använder vi nätverk av radioteleskop över hela jorden som observerar samma galax samtidigt. Med hjälp av kraftfulla datorer och avancerad matematik kan vi sedan få fram bilder så skarpa att vi i detalj kan följa utvecklingen för enstaka supernovor i galaxer många hundra miljoner ljusår bort, och lära oss mer om deras omgivning och historia.
I denna avhandling presenteras studier av tre olika galaxer där det bildas ovanligt många stjärnor varje år. Två av dessa har studerats med radioteleskopet LOFAR: ett nätverk av teleskop som gör det möjligt att ta superskarpa bilder av himlen vid meterlånga radiovågor. Vi visar att skarpa bilder är nödvändiga för att förstå komplexiteten i de galaxer vi studerar. Dessutom så kan de metoder som utvecklats under arbetet med avhandlingen i framtiden användas inom andra områden inom astronomin.

Subject Categories

Astronomy, Astrophysics and Cosmology


Basic sciences


Onsala Space Observatory



Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4157


Chalmers University of Technology

EB-salen, Hörsalsvägen 11, Chalmers

Opponent: Professor Juan-María Marcaide, University of Valencia, Spain

More information