The impact of supermassive black holes on star formation

Abstract

Observational evidence suggests that the Star formation process in the universe peaked at 3.5 billion years after the Big Bang and declined in the last 10 billion years. While this decline can be partially associated with star formation itself, since stars consume gas and only return a small percentage of gas back to the galactic reserve, cosmological simulations cannot reproduce today’s galactic mass distribution in the high-mass branch. This hints at the existence of additional mechanisms negatively impacting star formation in high-mass galaxies. The presence of supermassive black holes and their impact on their galactic host environment have been proposed as one of the main contributors to this negative feedback effect. As black holes grow in the center of the galaxies, it emits energy from its accretion disk either in the form of radiation pressure or as relativistic plasma jets. This energy can be coupled with the interstellar medium (ISM), affecting the molecular gas essential for forming new stars. Simulating this contribution in cosmological simulations succeeds in reproducing the expected mass distribution in the local universe. Studies of hydrodynamic simulations of jets propagating through the ISM have shown that they can be a very efficient mechanism for providing this ISM-AGN coupling. Shocks produced from this jet-ISM interaction sweep large areas of a galaxy, heating and causing turbulence in the ISM as the jet percolates and breaks freely into intergalactic space. This thesis aims to further investigate the jets as feedback mechanisms. In the first part, we focus on constructing and analyzing a radio-selected, multi-epoch, sample of galaxies observed in CO emission lines in the millimeter part of the electromagnetic spectrum to understand their molecular gas content in low and high redshift. This work utilizes a combination of ALMA observations, either as target observations or byproducts of calibration, and measurements from the literature. We detected CO emission in 35% of the sample radio galaxies, with molecular masses ranging from 1e7 <M_mol< 7e10 at low-z and 2e10 M_mol< 7e11 (in solar masses) at high-z. In the local universe, the number of sources with detectable molecular gas was slightly lower compared to other types of active galaxies (AGN1 and AGN2), but comparable when adjustments were made for missing radio galaxies. This finding suggests that radio galaxies and these other active galaxies might have similar gas contents in the local universe, aligning with simulation expectations. Also, RGs with a high gas content (>1e10 solar masses) were not significantly lower with star-forming AGNs, suggesting that they are not entirely "red and dead". At higher redshifts, the observed radio galaxies had a significant amount of molecular gas, with about 1/4 of them having molecular gas amounts comparable to what simulations suggest for typical galaxy halos of that epoch. For the brightest sources, there is a consistency in molecular gas content across all epochs, suggesting that the interplay of inflows, star formation, and radio-mode feedback maintains a certain level of molecular gas. Another goal of this survey was to lead to the detection of molecular outflows. In the second part of this thesis, we present a detailed kinematic analysis of one of the two sources with obvious kinematic deviations: the early-type galaxy NGC6328, which hosts the closest known Gigahertz Peaked radio Source (GPS) PKS1718-649. The data cubes for the re-calibrated CO(2-1) and CO(3-2) ALMA archival data revealed that the molecular gas had a highly complicated geometry that could not be estimated with any tool available in the literature. Thus, we created a novel accurate warped disk model that incorporates the evolution of the disk due to gravitational potential torques together with the effect of viscous forces. The fitting of the data and the model was done using a Bayesian framework on parameter and model estimation. This choice provided us the opportunity to combine multiple datasets (HI velocities, photometry, dust obscuration patterns) into a single probabilistic model, which resulted in a distribution of possible geometry and mass potential models. These models jointly point out the scenario of a highly warped molecular disk emerging from a merger incident estimated at 400-800 Myr ago. From the residuals of the fit, we detect two molecular outflows in the central 200 pc of the galaxy. The outflows, validated through gas excitation analysis and newly observed ionized gas outflows, have a total mass outflow rate of 3 solar masses per year and a kinetic power of 2-7e40 ergs per second, which suggests jet-driven outflows as the most plausible scenario for their acceleration. This adds NGC6328 to the catalog of sources, along with NGC1377, 4C 31.04, ESO 420-G13 and HE 0040−1105, where jet-induced outflows are detected but outside the current radio emission of the jet. Motivated by this observation, we delved into various mechanisms and revisited the likelihood of a connection between published molecular outflows and jets. In the third part of this thesis, we conducted a meta-analysis encompassing a sample of 45 local galaxies with detected molecular outflows, augmented by the inclusion of galaxies NGC6328, NGC1377, 4C 31.04, and ESO 420-G13. Our analysis revealed that, for at least half of this extended sample, the jets align both energetically and geometrically with the observed outflows, positioning them as a significant or even dominant mechanism in driving these outflows.

Όπως αποδεικνύεται από παρατηρησιακά δεδομένα ο ρυθμός παραγωγής αστέρων στο Σύμπαν μειώνεται κατα τη διάρκειατων τελευταίων 10 δισεκατομμυρίων ετων, μια μείωση που αποδίδεται στην ίδια τη δημιουργία των αστέρων και του μικρού ποσοστού αερίου που αυτά επιστρέφουν πίσω στο γαλαξιακό απόθεμα. Προσομοιώσεις εξέλιξης γαλαξιών, χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις αυτές, αδυνατούν να αναπαράξουν τη σημερινή παρατηρούμενη κατανομή των γαλαξιακών μαζών κυρίως στη περιοχή των γαλαξιών μεγάλης μάζας χωρίς τη χρήση επιπλέον μηχανισμών αρνητικής επίδρασης (ανάδρασης) στο ρυθμό δημιουργίας αστέρων. Οι κύριοι μηχανισμοί που έχουν προταθεί βασίζονται στην ύπαρξη γαλαξιακών ανέμων οι οποίοι εμποδίζουν τη βαρυτική κατάρρευση του κρύου μοριακού αερίου και άρα τη δημιουργία αστέρων είτε λόγω θέρμανσης του είτε λόγω της εκτόξευσης του στο διαγαλαξιακό χώρο. Οι διαφορές μεταξύ των μηχανισμών έγκειται στη πηγή των ανέμων αυτών, η οποία μπορεί να είναι ένας αυξημένος ρυθμός εκρήξεων σουπερνόβα ή το αποτέλεσμα της δραστηριότητας υπερμαζικών μελανών οπών στα κέντρα των γαλαξιών. Σε αυτή την εργασία εστιάσαμε στη δυνατότητα του ενεργού πυρήνα των ενεργών γαλαξιών στο να εναποθέτουν ενέργεια στο μεσοαστρικό περιβάλλον και πιο συγκεκριμένα στη σημαντικότητα των σχετικιστικών πιδάκων. Η απόδοση του μηχανισμού αυτού υποστηρίζεται από υδροδυναμικές προσομοιώσεις και πλήθος παρατηρήσεων στο κοντινό Σύμπαν. Για τη πλήρη διερεύνηση του φαινομένου χρειαζόμαστε ένα δείγμα γαλαξιών οι οποίοι διαθέτουν ενεργό πίδακα και έχουν δυνάμει παρατηρήσεις μοριακού αερίου. Έτσι κατασκευάσαμε και αναλύσαμε ένα δείγμα 120 ράδιο-γαλαξίων επιλεγμένων σε όλο το εύρος της κοσμικής ιστορίας. Οι πηγές αυτές έχουν παρατηρηθεί στο μικροκυματικό εύρος του φάσματος όπου εντοπίζονται οι 4 λαμπρότερες γραμμές εκπομπής του μονοξειδίου του άνθρακα, ενός μορίου που εκπέμπει σε συνθήκες που είναι ευνοϊκές για τη δημιουργία αστέρων (πυκνό, ψυχρό αέριο). Για όλες τις πηγές η ραδιοφωνική εκπομπή οφείλεται στον σχετικιστικό πίδακα από το ενεργό κέντρο του γαλαξία. Για την επιλογή του δείγματος αναπτύξαμε μια νέα στατιστική μεθοδολογία ώστε το τελικό δείγμα να είναι αντιπροσωπευτικό του ουρανού στο ραδιοφωνικό εύρος του φάσματος, οπού έχουμε ισχυρή εκπομπή των γαλαξιών αυτών, συγκρίνοντας την αντίστοιχη ροή ακτινοβολίας των πηγών μας με συνοπτικούς καταλόγους όλου του ουρανού. Συνολικά εντοπίστηκε μοριακό αέριο στο 35% των πηγών, με συνολικές μάζες του αερίου να κυμαίνονται από 1e7 εως 7e10 και 2e10 εως 7e11 ηλιακές μάζες για το κοντινό και μακρινό σύμπαν αντίστοιχα. Για το κοντινό σύμπαν ο αριθμός των πηγών όπου εντοπίζεται μοριακό αέριο είναι συνεπής σε σύγκριση με άλλου τύπου ενεργούς γαλαξίες (AGN τύπου 1 και 2) κάτι το οποίο συμφωνεί και με τις προβλέψεις των προσομοιώσεων. Ταυτόχρονα ο αριθμός των ραδιογαλαξίων οι οποίοι κατέχουν μεγάλες μάζες μοριακού αερίου (>1e10 ηλιακές μάζες) δεν ήταν σημαντικά χαμηλότερος από τους ενεργούς γαλαξίες με αστρική δημιουργία, υποδεικνύοντας ότι μπορουν να υποστηρίξουν διαδικασίες δημιουργίας αστέρων. Σε σύγκριση με τις ημι-εμπειρικές προβλέψεις για τυπικούς γαλαξίες οι ραδιο-γαλαξίες του δείγματος μας έχουν 1 με 2 τάξεις μεγέθους λιγότερη συνολική μάζα του μοριακού αερίου. Η διαφορά αυτή μειώνεται καθώς κοιτάμε σε μεγαλύτερα redshift. Η τάση αυτή συνεχίζεται ώστε στα μεγαλύτερα redshift η ποσότητα του μοριακού αερίου, στις πηγές όπου αυτό εντοπίζεται, να είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τις προβλεπόμενες τιμές. Η παρατήρηση αυτή συνδράμει στην δυνατότητα που έχουν οι πίδακες να αποτελούν εξαιρετικά σημαντικός μηχανισμός στο φαινόμενο ανάδρασης και άρα στην εξέλιξη των γαλαξιών συνολικότερα.Ένας δεύτερος στόχος της παραπάνω εργασίας ήταν ο απευθείας εντοπισμός μοριακών εκροών. Συνολικά από τις 120 πήγες εντοπίσαμε νέες μοριακές εκροές σε δύο πηγές. Στο δεύτερο μέρος αυτής της διατριβής επικεντρωθήκαμε στην λεπτομερή ανάλυση των κινηματικών ιδιοτήτων ενός εκ των δύο, του ελλειπτικου ραδιογαλαξία NGC6328. Οι παρατηρήσεις του μοριακού αερίου στις γραμμές CO(2-1) και CO(3-2) αποκάλυψαν μια εξαιρετικά πολύπλοκη γεωμετρία με ισχυρές κινηματικές ανισοτροπίες. Καθώς κανένα εργαλείο από όσα χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιβλιογραφία δεν μπορούσε να αποδώσει ικανοποιητική ανάλυση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων, κάτι το οποίο κρίνεται σημαντικό ώστε να αποδοθεί λεπτομερώς το εύρος και η ροή μάζας των μοριακών εκροών, αναπτύξαμε ένα νέο μοντέλο δίσκου και ενα εργαλείο ώστε αυτό να μπορεί να συγκριθεί με τις παρατηρήσεις. Το μοντέλο εξετάζει την εξέλιξη της γεωμετρίας ενος δίσκου ύπο τις ροπές ενος μη συμμετρικού βαρυτικού δυναμικού και τις εσωτερικές ροπές λόγω τριβών μεταξύ γειτονικών “δαχτυλιδιών” του δίσκου. Η διαδικασία αυτή προσομοιώνει ένα δίσκο ο οποίος βρίσκεται αρχικά υπο γωνία σε σχέση με τους άξονες συμμετρίας του βαρυτικού δυναμικού, λόγω ενός επεισοδίου γαλαξιακής συγχώνευσης, και λόγω των ροπών που δέχεται, σχηματίζει μια δομή στρεβλού δίσκου. Η σύγκριση με τα δεδομένα, ώστε να εκτιμηθούν οι τελικές παράμετροι του μοντέλου, έγινε μέσω της Bayesian στοχαστικής διαδικασίας Markov Chain Monte Carlo, η οποία μας έδωσε τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε πρωθύστερες πληροφορίες σχετικα με τις παραμέτρους, να χρησιμοποιήσουμε περισσότερα και διαφορετικά δεδομένα (ταχύτητες του ουδέτερου Υδρογόνου, φωτομετρία του βαρυτικού δυναμικού, κατανομή της σκόνης κλπ) αλλά και να εκτιμηθούν ακριβέστερα οι στατιστικές κατανομές των τελικών τιμών των παραμέτρων. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας αποδεικνύει ότι ο δίσκος του μοριακού αερίου προερχεται απο μια συγχώνευση που ξεκίνησε πριν από 400-800 εκατομμύρια έτη. Στα 200 pc από το κέντρο του γαλαξία εντοπίστηκαν δύο μοριακές εκροές, οι οποίες επικυρώθηκαν από παρατηρήσεις ιονισμένου και θερμου αερίου αλλά και μέσω της διέγερσης του μοριακού αερίου στα σημεία αυτά. Οι εκροές μεταφέρουν συνολική μάζα 3 ηλιακών μαζών ανα έτος, μια τιμή η οποία ξεπερνά το ρυθμό δημιουργίας αστέρων σε ολόκληρο το γαλαξία (λιγότερο από 1 ηλιακή μάζα ανα έτος). Η συνολική κινητική ενέργεια (2-7e40 erg/s) υποδηλώνει ότι ο κύριος μηχανισμος επιτάχυνσης είναι ο πίδακας, κάτι που φαίνεται να επιβεβαιώνεται και από την κατανομή και κατεύθυνση των εκροών. Καθώς το παρατηρούμενο εύρος του πίδακα είναι αρκετά μικρότερο (2 pc) το αποτέλεσμα αυτό τοποθετεί τον NGC6328 στη συνεχώς διευρούμενη λίστα πηγών όπου η αποδεδειγμένη αιτία μοριακών εκροών είναι ο πίδακας χωρίς αυτός να εντοπίζεται στο εύρος των εκροών. Με κίνητρο αυτή την παρατήρηση, στο τρίτο και τελευταίο μέρος της διατριβής, εξετάσαμε την πιθανότητα να έχει υπο-εκτιμηθεί η συσχέτιση των πιδάκων με καταγεγραμμένες μοριακές εκροές στη βιβλιογραφία. Έτσι, πραγματοποιήσαμε μια μετα-ανάλυση που περιλάμβανε ένα δείγμα 45 τοπικών γαλαξιών με ανιχνευμένες μοριακές εκροές. Η ανάλυσή μας αποκάλυψε ότι, για τουλάχιστον το ήμισυ του δείγματος, οι πίδακες ευθυγραμμίζονται τόσο ενεργειακά όσο και γεωμετρικά με τις παρατηρούμενες εκροές, τοποθετώντας τους σαν έναν σημαντικό ή και κυρίαρχο μηχανισμό επιτάχυνσης.