Molecular observations of obscured galaxy nuclei
Doktorsavhandling, 2017

It is becoming evident that some (ultra)luminous infrared galaxies ((U)LIRGs) contain compact obscured nuclei (CONs) where luminosities in excess of 10^9 L☉  emerge from inside dusty regions smaller than 100 pc in diameter. Due to the obscured nature of these objects, their inner regions are hidden from examination using optical or infrared lines. In addition, extreme column densities (≳10^24 cm^-2) towards the central regions might render them heavily Compton-thick, blocking even X-rays originating in the nuclei. It is nevertheless important to reveal and understand the nature of the sources behind the high luminosities, as well as their connection to the host galaxies, as this may aid our understanding of galaxy evolution and the connection between starbursts and active galactic nuclei (AGN). This thesis describes observational efforts at far-infrared, (sub)millimeter, and radio wavelengths, with a focus on molecular line emission and absorption, combined with theoretical work, to investigate the central regions of CONs. Far-infrared and submillimeter observations of the LIRGs Zw 049.057 and Arp 299A, and the ULIRG IRAS 13120-5453 obtained with the Herschel Space Observatory as well as interferometric (sub)millimeter and radio observations of Zw 049.057 obtained with current state of the art interferometers are presented. Based on the Herschel observations, which targeted spectral lines of water (H2O) and hydroxyl (OH), we construct radiative transfer models in order to constrain the physical conditions in the three galaxies. In this way we find that both Zw~049.057 and Arp~299A host compact obscured nuclei, while IRAS 13120-5453 does not. It is however still difficult to determine the nature of the power sources in the two CONs, and high angular resolution observations of tracers that are able to probe highly enshrouded and compact regions are definitely required in order to do this. The Herschel observations also included signatures of inflowing gas in both Zw 049.057 and Arp 299A as well as a tentative signature of outflowing gas in Zw 049.057. The interferometric follow-up observations of Zw 049.057 further revealed a nuclear molecular outflow detected both in radio absorption lines of OH and (sub)millimeter emission lines of CO. We interpret this combination of in- and outflowing gas motions close to the nucleus as evidence that these objects are in a short transition phase, close to the onset of strong feedback from the nucleus. The study of CONs might thus be essential for our understanding of the global evolution of galaxies.

Galaxies: nuclei

Galaxies: ISM

Infrared: galaxies

ISM: Molecules

Submillimeter: galaxies

HC1, Hörsalsvägen 14
Opponent: Dr Axel Weiß, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Tyskland

Författare

Niklas Falstad

Chalmers, Rymd- och geovetenskap, Extragalaktisk astrofysik

Herschel spectroscopic observations of the compact obscured nucleus in Zw 049.057

Astronomy and Astrophysics,; Vol. 580(2015)p. A52-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Inflowing gas onto a compact obscured nucleus in Arp 299A: Herschel spectroscopic studies of H 2 O and OH

Astronomy and Astrophysics,; Vol. 597(2017)p. Article number A105-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The Dense Molecular Gas and Nuclear Activity in the ULIRG IRAS 13120-5453

Astrophysical Journal,; Vol. 835(2017)p. Article Number: 213-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Hidden molecular outflow in the LIRG Zw 049.057

Astronomy and Astrophysics,; Vol. 609(2018)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

En galax är ett system av stjärnor, stoft och gas som hålls ihop av gravitationskraften. Det mest kända examplet är vår egen galax Vintergatan, som en stjärnklar natt kan ses som ett ljust band på himlen. Sedan 1920-talet känner vi till att det också finns andra galaxer i Universum. Vissa av dessa galaxer sänder ut extremt mycket värmestrålning, motsvarande strålningen från mer än hundra miljarder solar. Denna värmestrålning kommer från stora mängder varmt stoft som finns i galaxerna. Anledningen till att stoftet är varmt är att det blockerar och värms upp av strålning från galaxens inre.

I de galaxer som den här avhandlingen fokuserar på sker det här inom ett i sammanhanget väldigt litet område, motsvarande ungefär tio gånger avståndet mellan solen och vår närmaste stjärna. Eftersom väldigt mycket gas och stoft är samlat inom denna lilla volym döljs dessa galaxers inre väldigt effektivt, och det är därför svårt att avgöra vad det är som driver dem. Vad vi vet är att det antingen är unga stjärnor som lyser väldigt starkt eller en så kallad aktiv galaxkärna som får sin energi genom att stora mängder gas faller ner i ett supertungt svart hål i galaxens centrum. Att avgöra vilket av dessa alternativ som dominerar är viktigt eftersom den här typen av objekt verkar befinna sig i en tidig fas av sin utveckling. De erbjuder därmed en möjlighet att studera varför mer mogna galaxer ser ut som de gör. Det är till exempel möjligt att de döljer extremt snabbväxande svarta hål, och de kan i så fall vara en nyckel till att förstå hur de supertunga svarta hål som finns i centrum av många galaxer har utvecklats. Stora ansamlingar av unga stjärnor och aktiva galaxkärnor driver dessutom enorma "vindar" av gas och stoft. Dessa vindar (eller utflöden) är mycket viktiga för galaxers utveckling och att de kan föra med sig stora mängder molekyler ut ur galaxer är en ny upptäckt.

I den första delen av avhandlingen använder vi observationer av strålning från molekyler, till exempel vatten, som finns inbakade i det skymmande stoftmolnet. Molekylerna och deras strålning påverkas då av de förutsättningar som råder där. Genom att studera hur olika molekyler strålar eller blockerar bakomliggande strålning går det alltså att dra slutsatser om, till exempel, vilken temperatur och täthet stoftet och gasen har. I den andra delen av avhandlingen utnyttjar vi det faktum att stoftet blockerar olika typer av strålning olika effektivt. Vi använder då molekyler som avger strålning som lättare kan ta sig genom stoftmolnet. Målet med detta är att hitta en metod för att mer direkt kunna se vad som pågår i galaxkärnornas inre.

Ämneskategorier

Astronomi, astrofysik och kosmologi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

Onsala rymdobservatorium

ISBN

978-91-7597-677-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4358

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

HC1, Hörsalsvägen 14

Opponent: Dr Axel Weiß, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Tyskland

Mer information

Senast uppdaterat

2018-02-09