Stellar populations and the properties of the interstellar medium in non-typical local galaxies

Abstract

One of the fundamental observational methods for the exploration of galaxy evolution is assessing the build-up of stellar mass budget across cosmic time. However, a significant amount of the energy ever emitted by galaxies has been reprocessed by dust, which is an end-product of stellar life-cycle. In an effort to obtain a more comprehensive understanding of the evolution of galaxies, the interplay between the stellar and the dust content in galaxies has been thoroughly studied for different galaxy types. In this thesis I try to go a step forward in this direction, by studying samples from surveys such as DustPedia, GAMA, GOALS, that differ from the general normal galaxy population and might constitute the missing pieces in the puzzle of galaxy evolution. Using multi-wavelength observations of a sample of galaxies of various morphological types and different star-formation activity levels, I explore their properties as a function of morphology and star-formation activity. I focus mainly on the interest- ing populations of star-forming early-type galaxies and quiescent late-type galaxies. I show that star-forming early-type galaxies comprise a significant part of the general early-type galaxy population and they have an almost identical star-forming main- sequence relation with the one found for the local star-forming spiral galaxies. On the contrary, passive late-type galaxies lie in the same area with the quiescent early-type galaxies, below the main-sequence. Thus, I compare the properties of these populations with control samples to examine how they differ from their counterparts in the general galaxy population. I investigate differences between quiescent and star-forming galaxies regarding their energetic output, their morphologies, as well as the effects of their local environment. I find a substantial fraction (∼25%) of the intrinsic stellar luminosity originating from young stars in star-forming early-types. An average of 35% of the stellar luminosity of the latter galaxies is found to be absorbed by dust. Several indications supporting the existence of internal structures are found for those galaxies. Finally, the local environment is found to influence the star-forming activity of galaxies. A sample of luminous infrared galaxies (U/LIRGs) is also investigated, following the same methodology. I found that most of the luminous galaxies are in coalescence and except for comparing their properties with the ones of the normal, in terms of luminosity, galaxies, I also explore their evolution with the merging stage. These galaxies comprise the high-end in stellar and dust mass, as well as, in star-formation rate in the local Universe, with median values of 6.3Ε10 M⊙, 5.2Ε7 M⊙, and 52 M⊙/yr, respectively. An evolution of the SFR with merging stage is evident, having a peak at galaxies during the main coalescence. In contrast to the local early-types and late- types, where the old stars are the dominant source of the stellar emission, the young stars in U/LIRGs comprise the 64% of the total stellar luminosity. Additionally, the fraction of the stellar luminosity absorbed by the dust is found to be extremely high in U/LIRGs (78%) and generally, large fractions of the luminosity of both stellar populations (ages lower and higher than 200 Myr) are used to heat up the dust grains. Finally, I propose the scenario of star-forming elliptical galaxies being the product of the coalescence of U/LIRGs. At the last part of the dissertation, a summary is presented, along with a discussion about the next steps, towards a further investigation of the interesting non-typical galaxies populations studied. The potential of using the outcomes of this thesis in future studies is discussed as well.

Μια από τις σημαντικότερες πτυχές στην προσπάθεια κατανόησης της εξέλιξης των γαλαξιών, είναι η μελέτη του τρόπου σχηματισμού των αστρικών τους πληθυσμών σε συνάρτηση με τον χρόνο. Ωστόσο, ένα πολύ σημαντικό μέρος της ενέργειας που εκπέμπεται από τους γαλαξίες, επηρεάζεται από την σκόνη, η οπόια αποτελεί προϊόν της αστρικης εξέλιξης. Με στόχο την περεταίρω κατανόηση της εξέλιξης των γαλαξιών, η αλληλεπίδραση άστρων και σκόνης στους γαλαξίες έχει μελετηθεί εκτενώς για διάφορους τύπους γαλαξιών. Στην παρούσα διατριβή επιχειρείται η μελέτη γαλαξιών, από βάσεις δεδομένων όπως το DustPedia, το GAMA, το GOALS, που διαφέρουν από τον γενικό πληθυσμό τυπικών γαλαξιών με σκοπό την κάλυψη κενών που υπάρχουν στην κατανόηση για το πως οι γαλαξίες εξελίσσονται. Οι κοντινοί, καλά μελετημένοι, γαλαξίες του DustPedia χρησιμοποιήθηκαν ως βάση σύγκρισης για την περαιτέρω διερεύνηση των χαρακτηριστικών ιδιαίτερων τύπων γαλαξιών, όπως οι ελλειπτικοί με αστρογέννεση, οι σπειροειδείς χωρίς αστρογέννεση από το δείγμα GAMA, καθώς και οι πολύ λαμπροί στο υπέρυθρο γαλαξίες από το δείγμα GOALS. Από την εκτενή αυτή μελέτη προκύπτει πληθώρα ενδιαφερόντων αποτελεσμάτων. Μέρος αυτών επιβεβαιώνουν αποτελέσματα προηγούμενων σχετικών μελετών, ενισχύοντας την εγκυρότητα της μεθοδολογικής προσέγγισης, ενώ, προέκυψαν και αποτελέσματα με ιδιαίτερο ενδιαφέρον που δεν έχουν διερευνηθεί ευρέως στο παρελθόν.Το πρώτο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται σε ένα δείγμα γαλαξιών διαφόρων μορφολογικών τύπων και με διάφορα επίπεδα αστρογένεσης. Με χρήση παρατηρήσεων σε πολλά μήκη κύματος μελετάται η εξάρτηση των φυσικών παραμέτρων σε συνάρτηση με τον μορφολογικό τύπο και το επίπεδο αστρογένεσης, με στόχευση κυρίως στους πολύ ενδιαφέροντες πληθυσμούς των ελλειπτικών γαλαξιών με έντονη αστρογένεση και των σπειροειδών με χαμηλά επίπεδα σχηματισμού νέων άστρων. Πιο συγκεκριμένα, αποδεικνύεται ότι οι ελλειπτικοί γαλαξίες με αστρογένεση αποτελούν ένα σημαντικό μέρος του γενικού πληθυσμού ελλειπτικών γαλαξιών και μάλιστα έχουν πανομοιότυπα φυσικά χαρακτηριστικά με τους αντίστοιχους σπειροειδείς, όπως η συσχέτιση μεταξύ του ρυθμού αστρογένεσης και της αστρικής μάζας, γνωστή ως η κύρια ακολουθία γαλαξιών με αστρογέννεση. Αντιθέτως, τα αντίστοιχα φυσικά χαρακτηριστικά των ήσυχων σπειροειδών γαλαξιών προσομοιάζουν αυτά των ελλειπτικών γαλαξιών χωρίς αστρογένεση. Συνεπώς γίνεται σύγκριση των χαρακτηριστικών αυτών των πληθυσμών με χαρακτηριστικά τυπικά δείγματα γαλαξιών, με σκοπό να διερευνηθεί σε τι διαφέρουν από τον γενικό πληθυσμό. Τα χαρακτηριστικά τα οποία μελετώνται κυρίως είναι η ακτινοβολία τους, η μορφολογία, καθώς και η επίδραση του τοπικού περιβάλλοντος στο οποίο εξελίσσονται. Βρέθηκε έτσι, ότι ένα σημαντικό ποσοστό (της τάξης του 25%) της συνολικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ελλειπτικούς γαλαξίες με αστρογένεση, προέρχεται από αστρικούς πληθυσμούς νεαρής ηλικίας. Επίσης, κατά μέσο όρο, 35% της συνολικής ακτινοβολίας από αστέρια σε αυτούς τους γαλαξίες απορροφάται από την σκόνη. Ακόμα, παρά την γενικότερη ελλειπτική τους μορφολογία, υπάρχουν πολλές ενδείξεις που υποδεικνύουν την ύπαρξη εσωτερικών δομών στους γαλαξίες αυτούς. Τέλος, σύμφωνα με τα ευρήματα της παρούσας μελέτης, το τοπικό περιβάλλον φαίνεται πως επηρεάζει τον ρυθμό με τον οποίο δημιουργούνται νέα άστρα στους γαλαξίες, ανεξαρτήτως μορφολογίας. Στο δεύτερο μέρος μελετάται το δείγμα γαλαξιών που είναι πολύ λαμπροί στο υπέρυθρο μέρος του φάσματος. Βρέθηκε μάλιστα ότι η πλειοψηφεία των λαμπρών αυτών γαλαξιών είναι σε φάση συγχώνευσης. ́Ετσι εκτός από σύγκριση των φυσικών χαρακτηριστικών των λαμπρών γαλαξιών με τα χαρακτηριστικά που έχουν οι συνήθεις, λιγότερο λαμπροί, διερευ- νάται επίσης η εξέλιξη τους ανά τις διάφορες φάσεις κατά την διαδικασία της συγχώνευσης. Αυτοί οι γαλαξίες αποτελούν το ανώτατο άκρο τόσο από πλευράς αστρικής μάζας και μάζας σκόνης, όσο και με βάση τον ρυθμό σχηματισμού νέων άστρων. Οι αντίστοιχες διάμεσες τιμές που προέκυψαν είναι 6.3Ε10 Μ⊙ για την αστρική μάζα, 5.2Ε7 Μ⊙ για την μάζα σκόνης, και 52 M⊙/yr για τον ρυθμό αστρογέννεσης. Επιπλέον, βρέθηκε εξέλιξη του ρυθμού αστρογένεσης κατά την διάρχεια της συγχώνευσης, με τις μεγαλύτερες τιμές να είναι κατά την διάρκεια της κύριας φάσης της συγώνευσης. Επίσης, ένα μεγάλο ποσοστό της αστρικής ακτινοβολίας (78%) απορροφάται από την σκόνη. Μάλιστα, σε αντίθεση με τους τοπικούς τυπικούς γαλαξίες, όπου τα γηραιά άστρα συνδράμουν περισσότερο στην συνολική αστρική λαμπρότητα, στους λαμπρούς στο υπέρυθρο γαλαξίες, τα νέα αστέρια αποτελούν το 64% κατά μέσο όρο. Τέλος, εξετάζεται το ενδεχόμενο, οι ελλειπτικοί γαλαξίες με αστρογένεση, να αποτελούν προϊόν της συγχώνευσης γαλαξιών λαμπρών στο υπέρυθρο. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής συζητούνται τα συμπεράσματα, γίνεται ανάλυση των επόμενων βημάτων προς την συνέχιση της μελέτης αυτών των ιδιαίτερων τύπων γαλαξιών και αναφέρονται επίσης οι δυνατότητες χρήσης των αποτελεσμάτων της διατριβής σε μελλοντικές μελέτες.