The interstellar medium of active galaxies and quasars in the high-redshift universe

Abstract

To understand how galaxies form and evolve, it is particularly important to study the brief phases when the supermassive black holes (SMBHs) in their centers are fed by mergers and rapid accretion, and in turn, regulate star formation and shape the interstellar medium (ISM) through powerful feedback mechanisms. These stages are especially important in the early Universe—at high-redshift—and the physical conditions that govern the interaction between SMBHs and their host galaxies are not yet fully understood. Two galaxy populations that are thought to be undergoing these formative processes are the hyperluminous "Hot dust-obscured galaxies" (Hot DOGs), whose buried quasars are disturbing and expelling their ISM, and the compact "Little Red Dots" (LRDs), possible examples of early SMBH activity. In this thesis, we present a comprehensive study of the properties of active galaxies in the high-redshift Universe, targeting three different environments: (1) the most luminous obscured galaxy known to date—the Hot DOG W2246–0526—,(2) its ∼50 kiloparsec (kpc)-scale merging complex, and (3) the newly identified population of LRDs. ALMA fine-structure far-infrared (IR) line observations of W2246–0526, in combination with radiative transfer models, reveal an X-ray-dominated region in the surroundings of the quasar, giving rise to extreme and unprecedented conditions in the ISM. Continuum mapping across the merging system at different frequencies allows us to derive the spatially resolved properties of the dust, uncovering a temperature gradient indicating quasar-heating out to ∼8 kpc, and star-formation-heating beyond, in scales of tens of kpc. Spectral energy distribution (SED) fitting of five LRDs with ALMA nondetections and JWST/NIRSpec+MIRI data favors post-starburst stellar populations with minor ongoing star formation and AGN activity. These results highlight the power of far-IR spectroscopy, spatially resolved continuum observations, and detailed SED analysis to study the interplay of active galactic nuclei, star formation, and the gas and dust in the ISM during the first two billion years of cosmic history.

Για να κατανοήσουμε πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να μελετήσουμε τις σύντομες φάσεις κατά τις οποίες οι υππερμασικών μαυρων τρυπών (ΥΜΤ) στο κέντρο τους τροφοδοτούνται από φαινόμενα συγχωνεύσεων και ταχείας συσσώρευσης, και, με τη σειρά τους, ρυθμίζουν το σχηματισμό αστέρων και διαμορφώνουν το μεσοαστρικό μεσο (ΜΜ) μέσω ισχυρών μηχανισμών ανατροφοδότησης. Αυτά τα στάδια είναι ιδιαίτερα σημαντικά στο πρώιμο Σύμπαν—σε υψηλή ερυθρή μετατόπιση—και οι φυσικές συνθήκες που διέπουν την αλληλεπίδραση μεταξύ των ΥΜΤ και των γαλαξιών που τους φιλοξενούν δεν έχουν ακόμη πλήρως κατανοηθεί. Δύο πληθυσμοί γαλαξιών που πιθανόν εκπροσωπούν αυτές τις διαδικασίες διαμόρφωσης είναι οι υπερφωτεινοί ¨θερμοί γαλαξίες καλυμμένοι από σκόνη’ ("Hot dust-obscured galaxies", Hot DOGs), των οποίων οι quasar διαταράσσουν και απωθούν το ΜΜ τους, και τα συμπαγή ¨μικρά κόκκινα σημεία’ ("Little Red Dots", LRDs), πιθανές εκδηλώσεις πρώιμης δραστηριότητας ΥΜΤ. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζουμε μια ολοκληρωμένη μελέτη των ιδιοτήτων ενεργών γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν, εστιάζοντας σε τρία διαφορετικά περιβάλλοντα: (1) τον πιο φωτεινό καλυμμένο από σκόνη γαλαξία που έχει βρεθεί έως σήμερα—τον Hot DOG W2246–0526—, (2) το σύμπλεγμα συγχώνευσης κλίμακας ∼50 kiloparsec (kpc) γύρω από τον W2246–0526, και (3) τον νεοανακαλυφθέντα πληθυσμό των LRDs. Παρατηρήσειες γραμμών λεπτής δομής στο μακρινό υπέρυθρο με το ALMA για τον W2246–0526, σε συνδυασμό με μοντέλα μεταφοράς της ακτινοβολίας, αποκαλύπτουν μια περιοχή κυριαρχούμενη από ακτίνες X γύρω από τον quasar, δημιουργώντας ακραίες και πρωτοφανείς συνθήκες στο ΜΜ. Η χαρτογράφηση της συνεχούς ακτινοβολίας σε διαφορετικές συχνότητες διαμέσου του συστήματος συγχώνευσης μάς επιτρέπει να διακρίνουμε τις ιδιότητες της σκόνης στον χώρο, αποκαλύπτοντας διαβάθμιση θερμοκρασίας που υποδηλώνει θέρμανση από τον quasar έως ∼8 kpc, και θέρμανση από αστρογένεση σε μεγαλύτερες κλίμακες δεκάδων kpc. Η προσαρμογή μοντέλων στα δεδομένα φασματική κατανομή ενέργειας (ΦΚΕ) σε πέντε LRDs μη ανιχνεύσιμα από το ALMA και δεδομένα από το JWST/NIRSpec+MIRI ευνοεί αστρικούς πληθυσμούς μετά την έξαρση αστρογένεσης (post-starburst) με ελάχιστη συνεχιζόμενη αστρογένεση και δραστηριότητα ενεργού γαλαξιακού πυρήνα. Τα αποτελέσματα αυτά υπογραμμίζουν τη δύναμη της φασματοσκοπίας μακρινό υπέρυθρο, των χωρικά διαχωρισμένων παρατηρήσεων συνεχούς εκπομπής και της λεπτομερούς ανάλυσης ΦΚΕ για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ ενεργού γαλαξιακού πυρήνα, σχηματισμού αστέρων και του αερίου και της σκόνης στο ΜΜ κατά τα πρώτα δύο δισεκατομμύρια χρόνια της κοσμικής ιστορίας.