A study of the properties of the cold dust in nearby galaxies through observations at millimeter wavelengths

Abstract

Understanding the physical processes that regulate galaxy evolution requires detailed knowledge of the interstellar medium (the complex mixture of gas, dust, and cosmic rays filling the space between stars). Nearby galaxies are particularly valuable in this context, as their proximity allows us to study the interstellar medium in detail across a range of galactic environments, such as, spiral arms, inter-arm regions, galactic centers, molecular clouds, and halos. To fully characterize the interstellar medium, observations across a broad range of wavelengths are essential. Different wavelengths probe different components: infrared mostly traces thermal emission from dust, radio wavelengths reveal synchrotron and free-free emission, and millimeter wavelengths capture both thermal dust and molecular gas emission lines. Despite its importance, the millimeter regime remains relatively underutilized due to its observational challenges and the complexity of disentangling overlapping emission sources. This thesis contributes to filling this gap through high-resolution millimeter observations obtained as part of the Interpreting the Millimeter Emission of Galaxies with IRAM and NIKA2 (IMEGIN) Large Program. Using the NIKA2 camera on the IRAM 30-meter telescope, we observed 22 nearby galaxies at 1.15 mm and 2 mm. Here, we focus on two of those galaxies, NGC0891 and NGC3627, as case studies for detailed ISM analysis. NGC0891 is an almost edge-on spiral galaxy located 9.6 Mpc away, while NGC3627 is an inclined spiral at 11.3 Mpc, featuring a prominent central bar and a weak active galactic nucleus. Both galaxies are actively forming stars and exhibit a variety of interstellar medium structures. In our analysis, we combined the new NIKA2 millimeter maps with multi-band data to construct and analyze the spectral energy distribution of these galaxies, from the infrared to the radio wavelengths. This allowed us to determine the properties of thermal dust and radio continuum emission across different galactic environments. The modeling was performed both globally and locally (∼ 1 kpc scale), using the hierarchical Bayesian fitting code HerBIE together with the physically-motivated THEMIS dust model. This approach allowed us to derive reliable dust parameters and parameters of the interstellar medium while accounting for uncertainties and avoiding misleading correlations introduced by noise. For NGC0891, the observed emission is well reproduced by our dust emission models from near-infrared to millimeter wavelengths, with the exception of a 25% excess at the galaxy's outer disk, detected in the NIKA2 maps. The spatial distribution of dust and radio emission shows clear differences between the disk and the halo, highlighting the complexity of dust and gas dynamics in galaxies. By analyzing the multi-wavelength data, we identify distinct dust components: diffuse dust in the disk, colder dust concentrated along spiral arms, and warmer dust localized in H II regions. This structure is consistent with findings from other nearby galaxies, such as M33. The total dust mass is estimated at (3.48 ± 0.22) × 10⁷ M⊙. At 1 mm, the emission is purely from dust, except for a ∼ 3% contamination from CO(2–1) line emission. Small dust grains account for approximately 9.5% of the total dust mass, with a lower fraction of around 7% in the galactic disk and a higher fraction of up to 20% in the halo. We interpret this gradient as the result of grain destruction in high-radiation environments within the disk, and grain fragmentation through shocks in the halo, possibly driven by galactic outflows. In NGC3627, millimeter emission at 1 mm is dominated by thermal dust, with only 2% from free-free emission in active star-forming regions. However, contamination from the CO(2–1) line is significant: up to 20% in the central region. At 2 mm, dust remains the dominant source of emission, with free-free and synchrotron radiation contributing 10–15%. At longer wavelengths (1.2 cm), we find indications of excess emission compared to the dust and radio model, consistent with previous detections of anomalous microwave emission (AME). The total dust mass is estimated at (2.05 ± 0.09) × 10⁷ M⊙, with 18% concentrated at the ends of the central bar. Dust is primarily distributed in the bar, spiral arms, and a bright star-forming region in the southern disk, which extends into a tidal tail—evidence of interaction within the Leo Triplet Group. The central regions show a deficit of small grains, which is also reflected in the suppressed [C II] line emission (Kovacic et al. 2025), indicating reduced photoelectric heating and hence less efficient gas cooling. For NGC3627 we also examined how gas and star formation are linked through the Kennicutt–Schmidt relation. In the brightest regions of NGC3627, atomic gas is rapidly consumed (on timescales of ∼ 0.1 Gyr), suggesting efficient conversion to molecular gas, which shows a tighter correlation with star formation activity. Star-forming regions consume molecular gas on ∼ 1 Gyr timescales, while less active regions, such as the bar and nucleus, require longer times (∼ 10 Gyr). Overall, star formation in the galaxy is primarily regulated by the molecular gas reservoir. Furthermore, the atomic gas surface density reaches a saturation threshold at ΣHI = 9 M⊙/pc², consistent with previous findings (Bigiel et al. 2008). Finally, in NGC3627, we examined the relation between dust content and gas fraction using simple intragalactic dust evolution considerations within a 'closed-box' framework (Edmunds 2001). Comparing our local measurements with global galaxy trends from Galliano et al. (2021), we find that NGC3627 lies in the transition space between late- and early-type galaxies. Regionally, we find that the nucleus exhibits low values of dust enrichment efficiency and effective yield. These values increase toward the bar-ends and reach their highest levels in the isolated H II region, where the enhanced efficiency may be linked to the presence of surrounding hot X-ray-emitting gas. In summary, this study demonstrates the power of high-resolution millimeter observations to reveal the physical conditions of the interstellar medium in nearby galaxies. By combining advanced dust models with hierarchical Bayesian analysis, we extract reliable physical parameters and uncover spatial variations in dust composition and interstellar medium processes across different galactic structures. These results highlight the importance of millimeter-wave astronomy in building a comprehensive picture of galaxy evolution.

Η κατανόηση των φυσικών διεργασιών που καθορίζουν την εξέλιξη των γαλαξιών απαιτεί λεπτομερή γνώση του μεσοαστρικού υλικού (του πολύπλοκου μείγματος αερίου, σκόνης και κοσμικών ακτίνων που γεμίζουν το χώρο μεταξύ των άστρων). Οι κοντινοί γαλαξίες είναι ιδιαίτερα πολύτιμοι στο πλαίσιο αυτό, καθώς η εγγύτητά τους μας επιτρέπει να μελετήσουμε με λεπτομέρεια το μεσοαστρικό υλικό σε ποικίλα γαλαξιακά περιβάλλοντα, όπως οι σπειροειδείς βραχίονες, οι ενδιάμεσες περιοχές, τα μοριακά νέφη, το κέντρο του γαλαξία και η άλως. Για την πλήρη διερεύνηση του μεσοαστρικού υλικού είναι απαραίτητες οι παρατηρήσεις σε μεγάλο φασματικό εύρος. Διαφορετικά μήκη κύματος επιτρέπουν τη χαρτογράφηση διαφορετικών συστατικών: η υπέρυθρη ακτινοβολία ανιχνεύει κυρίως θερμική εκπομπή από σκόνη, τα ραδιοκύματα αποκαλύπτουν εκπομπή συγχρότρου και Bremsstrahlung, ενώ τα χιλιοστομετρικά μήκη κύματος καταγράφουν τόσο θερμική εκπομπή από σκόνη όσο και γραμμές εκπομπής μοριακού αερίου. Παρά τη χρησιμότητά του, το χιλιοστομετρικό φάσμα παραμένει σχετικά ανεξερεύνητο λόγω των δυσκολιών παρατήρησής του και της πολυπλοκότητας που προκύπτει από την ταυτόχρονη παρουσία διαφορετικών μηχανισμών εκπομπής. Η παρούσα διατριβή συνεισφέρει στην κατανόηση αυτής της φασματικής περιοχής μέσω υψηλής ανάλυσης χιλιοστομετρικών παρατηρήσεων, στο πλαίσιο του προγράμματος IMEGIN (Interpreting the Millimeter Emission of Galaxies with IRAM and NIKA2). Χρησιμοποιώντας την κάμερα NIKA2 που έχει εγκατασταθεί στο τηλεσκόπιο IRAM 30-m, παρατηρήθηκαν 22 κοντινοί γαλαξίες στα 1.15 mm και 2 mm. Εδώ εστιάζουμε σε δύο από αυτούς, τους NGC0891 και NGC3627, για τη λεπτομερή ανάλυση του μεσοαστρικού τους υλικού. Ο NGC0891 είναι ένας edge-on σπειροειδής γαλαξίας σε απόσταση 9.6 Mpc, ενώ ο NGC3627 είναι ένας σπειροειδής γαλαξίας υπό κλίση σε απόσταση 11.3 Mpc, με προεξέχουσα κεντρική ράβδο και ασθενή ενεργό γαλαξιακό πυρήνα. Και οι δύο γαλαξίες σχηματίζουν ενεργά αστέρες και παρουσιάζουν γαλαξιακές περιοχές με ποικίλο ενδιαφέρον. Στην ανάλυσή μας συνδυάζουμε τους νέους χιλιοστομετρικούς χάρτες με πολυχρωματικά δεδομένα για την κατασκευή και ανάλυση της κατανομής της φασματικής ενέργειας (SED) των γαλαξιών, από τα υπέρυθρα έως τα ραδιοφωνικά μήκη κύματος. Με αυτό τον τρόπο, είναι δυνατό να προσδιορίσουμε τις ιδιότητες της θερμικής εκπομπής σκόνης και της συνεχούς ραδιοφωνικής εκπομπής σε διαφορετικά γαλαξιακά περιβάλλοντα. Η μοντελοποίηση πραγματοποιείται τόσο συνολικά όσο και τοπικά (σε κλίμακα ~1 kpc), με χρήση του κώδικα HerBIE που χρησιμοποιεί ιεραρχική Bayesian στατιστική και του φυσικού μοντέλου σκόνης THEMIS. Η προσέγγιση αυτή μας επιτρέπει την αξιόπιστη εξαγωγή παραμέτρων σκόνης και μεσοαστρικού υλικού, λαμβάνοντας υπόψη τις αβεβαιότητες και αποφεύγοντας παραπλανητικούς συσχετισμούς παραμέτρων που προκύπτουν λόγω θορύβου. Για τον NGC0891, τα εξαγόμενα μοντέλα σκόνης από το κοντινό υπέρυθρο έως τα χιλιοστομετρικά μήκη κύματος αναπαράγουν επαρκώς την παρατηρούμενη εκπομπή, με εξαίρεση ένα πλεόνασμα (~25%) στα εξωτερικά τμήματα του δίσκου, όπως ανιχνεύεται στους χάρτες NIKA2. Η χωρική κατανομή της σκόνης και της ραδιοφωνικής εκπομπής δείχνει σαφείς διαφοροποιήσεις μεταξύ δίσκου και άλω, αναδεικνύοντας την πολυπλοκότητα της αλληλεπίδρασης σκόνης και αερίου στους γαλαξίες. Από την ανάλυση των πολυχρωματικών δεδομένων διακρίναμε σκόνη διάχυτη στο δίσκο, ψυχρότερη σκόνη συγκεντρωμένη στους σπειροειδείς βραχίονες και θερμότερη σκόνη σε περιοχές H II. Η δομή αυτή βρίσκεται σε συμφωνία με αντίστοιχα ευρήματα σε κοντινούς γαλαξίες, όπως ο M33. Συνολικά, η μάζα σκόνης εκτιμάται σε (3.48 ± 0.22) × 10⁷ M⊙. Στο 1 mm, η γαλαξιακή εκπομπή αποδίδεται κυρίως στη σκόνη, με εξαίρεση τη συνεισφορά της γραμμικής εκπομπής CO(2–1) κατά ένα ποσοστό ~3%. Οι μικροί κόκκοι σκόνης συνιστούν το ~9.5% της συνολικής μάζας σκόνης, με χαμηλότερη αναλογία (~7%) στον δίσκο και υψηλότερη (~20%) στην άλω. Ερμηνεύουμε αυτό τη χωρική κατανομή στο δίσκο ως αποτέλεσμα της καταστροφής αυτών των κόκκων σε περιοχές έντονης ακτινοβολίας και στην άλω ως αποτέλεσμα θρυμματισμού μεγαλύτερων κόκκων μέσω κρουστικών κυμάτων και πιθανής μεταφοράς τους μέσω γαλαξιακών εκροών. Στον NGC3627, η χιλιοστομετρική εκπομπή στο 1 mm κυριαρχείται από θερμική εκπομπή σκόνης, με μόνο ~2% συνεισφορά της εκπομπής Bremsstrahlung στις περιοχές ισχυρής αστρογένεσης. Ωστόσο, η περιεκτικότητα από τη γραμμική εκπομπή CO(2–1) είναι σημαντική, φθάνοντας έως και 20% στον κεντρικό δίσκο. Στα 2 mm, η σκόνη εξακολουθεί να είναι η κυρίαρχη πηγή εκπομπής, με τους μηχανισμούς Bremsstrahlung και συγχρότρου να συνεισφέρουν κατά ~10–15%. Σε μεγαλύτερα μήκη κύματος (1.2 cm), ανιχνεύεται εναπομείνουσα εκπομπή πέρα από αυτή που το μοντέλο σκόνης και ραδιοεκπομπής προβλέπει, συμβατή με προηγούμενα αποτελέσματα ανίχνευσης ανώμαλης μικροκυματικής εκπομπής (AME). Η συνολική μάζα σκόνης εκτιμάται σε (2.05 ± 0.09) × 10⁷ M⊙, με το 18% να συγκεντρώνεται στα άκρα της κεντρικής ράβδου. Η σκόνη κατανέμεται κυρίως στη ράβδο, στους σπειροειδείς βραχίονες και στις περιοχές αστρογένεσης που φιλοξενεί το νότιο τμήμα του δίσκου — ένδειξη παλιρροϊκής αλληλεπίδρασης με γειτονικό γαλαξία στην ομάδα Leo Triplet. Οι κεντρικές περιοχές του δίσκου χαρακτηρίζονται από έλλειμμα μικρών κόκκων σκόνης, το οποίο αντικατοπτρίζεται και στη μειωμένη εκπομπή [C II] (Kovacic et al. 2025), υποδεικνύοντας περιορισμένη θέρμανση μέσω φωτοηλεκτρικού φαινομένου και κατ' επέκταση λιγότερο αποδοτική ψύξη του αερίου .Για τον NGC3627 εξετάζουμε επίσης τη σύνδεση μεταξύ αερίου και αστρογένεσης μέσω της σχέσης Kennicutt–Schmidt. Στις φωτεινότερες περιοχές, το ατομικό αέριο καταναλώνεται γρήγορα (σε ~0.1 Gyr), γεγονός που υποδηλώνει αποτελεσματική μετατροπή του σε μοριακό αέριο, το οποίο εμφανίζει πιο στενή συσχέτιση με τον ρυθμό σχηματισμού αστέρων. Οι περιοχές ισχυρής αστρογένεσης καταναλώνουν μοριακό αέριο σε ~1 Gyr, ενώ οι λιγότερο ενεργές, όπως η ράβδος και ο πυρήνας, χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερους χρόνους (~10 Gyr). Συνολικά, η αστρογένεση στον γαλαξία καθορίζεται κυρίως από τη διαθεσιμότητα του μεσοαστρικού υλικού σε μοριακό αέριο. Επιπλέον, η επιφανειακή πυκνότητα του ατομικού αερίου φθάνει σ' ένα όριο κορεσμού στα ΣHI = 9 M⊙/pc², σε συμφωνία με προηγούμενες μελέτες (Bigiel et al. 2008). Τέλος, στον NGC3627, εξετάζουμε τη σχέση περιεκτικότητας σε σκόνη και αέριο, χρησιμοποιώντας το απλό μοντέλο "κλειστού κουτιού" για την εξέλιξη της μεσοαστρικής σκόνης (Edmunds 2001). Συγκρίνοντας τις τοπικές μας μετρήσεις με ολικά δεδομένα γαλαξιών από τους Galliano et al. (2021), βρίσκουμε ότι ο NGC3627 καταλαμβάνει ενδιάμεση θέση μεταξύ γαλαξιών προγενέστερου και μεταγενέστερου τύπου. Τοπικά, ο πυρήνας εμφανίζει χαμηλές τιμές αποδοτικότητας στον εμπλουτισμό του μεσοαστρικού υλικού με μετάλλα και στη δημιουργίας μανδυών γύρων από τους κόκκους σκόνης, οι οποίες αυξάνονται προς τα άκρα της ράβδου και μεγιστοποιούνται στην απομονωμένη περιοχή H II, όπου η αυξημένη αποδοτικότητα μπορεί να σχετίζεται με την παρουσία θερμού αερίου με ισχυρή εκπομπή ακτίνων Χ. Συνοψίζοντας, η μελέτη αυτή αναδεικνύει τη σπουδαιότητα των χιλιοστομετρικών παρατηρήσεων υψηλής ανάλυσης στη διερεύνηση των φυσικών συνθηκών του μεσοαστρικού υλικού σε κοντινούς γαλαξίες. Ο συνδυασμός προηγμένων μοντέλων σκόνης και ιεραρχικής Bayesian ανάλυσης μας επιτρέπει να εξάγουμε φυσικές παραμέτρους με αξιοπιστία και να καταγράψουμε χωρικές διαφοροποιήσεις στη σύσταση της σκόνης και στις διεργασίες του μεσοαστρικού υλικού σε διαφορετικές γαλαξιακές δομές. Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν τη σημασία της χιλιοστομετρικής αστρονομίας στην κατανόηση της εξέλιξης των γαλαξιών.