A multi-wavelength study of the activity in a representative sample of nearby star-forming galaxies

Abstract

This thesis presents the activity demographics of an Infrared-selected sample of galaxies in the local Universe. We investigate how activity classification depends on the proportion of the host galaxy’s light that is included in the nuclear spectral extraction aperture using observed long-slit spectra and spectra from simulated elliptical apertures of different sizes. We find that starlight subtraction can mitigate but not remove the effect of host galaxy contamination in the nuclear aperture. Furthermore, galaxies with extranuclear star formation can show higher [OIII]/Hβ ratios with increasing aperture, in contrast to the naive expectation that integrated light will only dilute the nuclear emission lines, and hence will have a different placement in the diagnostic diagrams and on certain occasions a different classification. We present activity demographics and host-galaxy properties of IR-selected galaxies in the local Universe using the representative Star Formation Reference Survey. Our classification scheme is based on a combination of the three optical emission-line diagrams (BPT) and IR-color diagnostics. Using the well defined weights of the SFRS galaxies with respect to the parent PSCz sample, we find that the PSCz comprises 71% HII galaxies, 13% Seyferts, 3% Transition Objects (TOs), and 13% LINERs. We derive nuclear star-formation rates and gas-phase metallicities for the star-forming galaxies, and measure abundance gradients for a subset of 12 face-on galaxies. The majority of SFGs show a narrow range of metallicities, close to solar, and flat metallicity profiles. We find that based on their host-galaxy and nuclear properties, the dominant ionizing source in the SFRS (PSCz) TOs is star-forming activity. LINERs are found mostly in massive hosts with low L(60μm), low dust temperatures, and low LHα surface densities, indicating older stellar populations as their main ionizing source rather than AGN activity. We describe a sub-galactic main sequence (SGMS) relating star-formation rate surface density and stellar mass density for distinct regions within star forming galaxies, including their nuclei. We demonstrate that the SGMS holds down to ∼1 kpc scales with a slope of α = 0.91 and a dispersion of 0.31 dex, similar to the galaxy-wide main sequence. The SGMS slope depends on galaxy morphology, with late-type galaxies having steeper slopes. The SGMS constructed from sub-regions of individual galaxies has on average the same characteristics as the composite SGMS from all galaxies. For nearly all galaxies, both the SFR and stellar mass peak in the nucleus, indicating that circumnuclear clusters are among the most actively star-forming regions in the galaxy and the most massive. The nuclear SFR also correlates with total galaxy mass, forming a distinct sequence from the standard MS of star-formation.

Αυτή η διδακτορική διατριβή παρουσιάζει την ταξινόμηση ενός δείγματος γαλαξιών με έντονη εκπομπή στο υπέρυθρο, βάση της δραστηριότητας στον πυρήνα τους. Αρχικά διερευνούμε τον τρόπο με τον οποίο η πυρηνική ταξινόμηση των γαλαξιών εξαρτάται από το ποσοστό του φωτός από το υπόλοιπο σώμα του γαλαξία, το οποίο υπεισέρχεται στη σχισμή που εξάγεται το πυρηνικό φάσμα των γαλαξιών. Χρησιμοποιούμε φάσματα από φασματογράφο σχισμής καθώς και προσομοιώσεις φασμάτων που έχουν ληφθεί από ελλειπτικές οπές διαφορετικών μεγεθών. Βρίσκουμε ότι οι μέθοδοι αφαίρεσης του αστρικού φωτός από το πυρηνικό φάσμα εκπομπής του γαλαξία μπορούν να περιορίσουν αλλά όχι να αφαιρέσουν απόλυτα την εισχώρηση του φωτός από το σώμα του γαλαξία στην πυρηνική σχισμή. Επιπλέον, γαλαξίες με έντονη εξωπυρηνική αστρογένεση παρουσιάζουν μεγαλύτερους λόγους [OIII]/Hβ καθώς αυξάνεται το μέγεθος της πυρηνικής σχισμής της φασματικής εξαγωγής, σε αντίθεση με την κοινή αντίληψη ότι το επιπρόσθετο φως από το σώμα του γαλαξία θα μειώσει τους λόγους γραμμών εκπομπής του πυρήνα, με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν διαφορετική θέση στα διαγνωστικά διαγράμματα και σε κάποιες περιπτώσεις διαφορετική ταξινόμηση. Παρουσιάζουμε τα δημογραφικά στοιχεία της πυρηνικής δραστηριότητας γαλαξιών με έντονη εκπομπή στο υπέρυθρο στο κοντινό Σύμπαν, χρησιμοποιώντας το αντιπροσωπευτικό δείγμα του Star Formation Reference Survey. Το πλαίσιο ταξινόμησης που χρησιμοποιούμε βασίζεται σε ένα συνδυασμό των τριών διαγνωστικών οπτικών γραμμών εκπομπής (BPT) καθώς και διαγνωστικών υπέρυθρων χρωμάτων. Χρησιμοποιώντας τα στατιστικά βάρη που έχουν αποδοθεί στους γαλαξίες του SFRS σε σχέση με το ευρύτερο δείγμα γαλαξιών PSCz από το οποίο προέκυψαν βρίσκουμε ότι το PSCz αποτελείται από 71% HII γαλαξίες, 13% Seyferts, 3% μεταβατικά αντικείμενα (TOs), και 13% LINERs. Για τους HΙΙ γαλαξίες υπολογίζουμε τον ρυθμό αστρογένεσης και την μεταλλικότητα του αερίου στον πυρήνα τους και υπολογίζουμε βαθμίδες μεταλλικότητας για 12 γαλαξίες. Οι περισσότεροι HΙΙ γαλαξίες έχουν ένα μικρό εύρος τιμών μεταλλικότητας κοντά στην ηλιακή και επίπεδες βαθμίδες μεταλλικότητας. Βρίσκουμε με βάση τα χαρακτηριστικά του σώματος και του πυρήνα των γαλαξιών ότι η κυρίαρχη πηγή παραγωγής ενέργειας για τα SFRS (PSCz) TOs είναι η δραστηριότητα αστρογένεσης. Οι LINERs βρίσκονται κατά κύριο λόγο σε γαλαξίες μεγάλης μάζας με χαμηλές τιμές L(60μm), χαμηλές θερμοκρασίες σκόνης, και χαμηλές τιμές επιφανειακής πυκνότητας LHα, υποδηλώνοντας ως βασική πηγή ιονισμού αστρικούς πληθυσμούς μεγάλης ηλικίας και όχι AGN δραστηριότητα. Περιγράφουμε μία κύρια ακολουθία σε διακριτές περιοχές εντός των γαλαξιών (SGMS) συσχετίζοντας την επιφανειακή πυκνότητα του ρυθμού αστρογένεσης και της επιφανειακής πυκνότητας αστρικής μάζας για διακριτές περιοχές γαλαξιών αστρογένεσης, συμπεριλαμβανομένων των πυρήνων τους. Η SGMS ορίζεται σε κλίμακες έως και ~1 kpc με κλίση α=0.91 και διασπορά 0.31 dex. Η κλίση της SGMS εξαρτάται από τη μορφολογία των γαλαξιών, με τους μεταγενέστερου τύπου σπειροειδείς να έχουν μεγαλύτερη κλίση από τους προγενέστερου τύπου σπειροειδείς. Η SGMS η οποία προκύπτει από τις διακριτές περιοχές κάθε γαλαξία ξεχωριστά έχει κατά μέσω όρο τα ίδια χαρακτηριστικά με την SGMS που προκύπτει από όλους τους γαλαξίες μαζί. Σχεδόν για όλους τους γαλαξίες τόσο η επιφανειακή πυκνότητα του ρυθμού αστρογένεσης όσο και της αστρικής μάζας έχει τη μέγιστη τιμή της στον πυρήνα των γαλαξιών, υποδηλώνοντας ότι τα σμήνη γύρω από τον πυρήνα είναι από τα πιο ενεργές περιοχές αστρογένεσης στους γαλαξίες και οι πιο μαζικές. Ο ρυθμός αστρογένεσης στον πυρήνα συσχετίζεται επίσης και με την συνολική αστρική μάζα των γαλαξιών, δημιουργώντας μια ξεχωριστή ακολουθία από την πρότυπη κυρία ακολουθία (MS) αστρογένεσης.