The first unbiased X-ray survey of normal galaxies in the local universe: understanding the connection between their X-ray emission and stellar populations

Abstract

The integrated X-ray emission of normal galaxies (i.e. those without AGN) primarily produced by discrete X-ray binary (XRB) populations. Studying their X-ray emission is the most efficient way to probe the otherwise invisible population of compact objects and to investigate their formation, evolution, and ultimate fate. XRBs are tightly linked to the properties of the stellar populations in their host galaxies. Consequently, exploring the connection between XRBs and stellar populations of different ages and metallicities is essential for understanding their formation and evolution of binary stellar systems across cosmic time. Previous studies, limited to small local galaxy samples, revealed that XRB luminosities scale with star-formation rate , stellar mass, and metallicity but lacked coverage of rare or extreme populations. This thesis presents the first unbiased X-ray survey of normal galaxies in the local Universe, combining eROSITA (eRASS1) X-ray data with the HECATEv2 all-sky galaxy catalogue. This largest and most complete sample minimizes selection effects and enables robust constraints on XRB formation, evolution, and interaction with host galaxies. Particularly, the first part of this thesis presents the construction of the HECATEv2, the second release of the Heraklion Extragalactic Catalogue. HECATEv2 includes all-known galaxies within ~200 Mpc, and it provides extended and homogenized photometry, updated stellar population parameters, and updated activity classifications. Using this catalogue in the second part we study the connection of the X-ray luminosity with the stellar population parameters for the largest galaxy sample to day. We find that there is an excess (above the expected X-ray luminosity) up to ~2 dex. This excess is driven by a subpopulation of highly X-ray-luminous starburst galaxies, low metallicities, and young stellar populations, highlighting the role of metallicity, age, and stochasticity in shaping XRB populations. Motivated by these findings, in the last part of this thesis, we study the stochasticity effects in detail, by developing a statistical framework to interpret galaxy X-ray emission while accounting for stochastic sampling of XRB luminosity functions.

Η εκπομπή ακτίνων Χ από γαλαξίες που δεν φιλοξενούν Ενεργούς Γαλαξιακού Πυρήνες (ΕΓΠ), παράγεται κυρίως από Διπλά Συστήματα Αστέρων εκπομπής στις Ακτίνων-Χ (ΔΣΑΧ). Η μελέτη τους αποτελεί τον αποτελεσματικότερο τρόπο διερεύνησης του αόρατου πληθυσμού συμπαγών αντικειμένων, προσφέροντας κρίσιμες πληροφορίες για τη δημιουργία και την εξέλιξη τους. Τα ΔΣΑΧ συνδέονται με τις ιδιότητες των αστρικών πληθυσμών στους γαλαξίες. Συνεπώς, μελετώντας την συσχέτιση μεταξύ των ΔΣΑΧ και αστρικών πληθυσμών διαφορετικής ηλικίας και μεταλλικότητας, είναι σημαντικό για την κατανόηση του σχηματισμού και της εξέλιξης αυτών των αστρικών συστημάτων. Προηγούμενες μελέτες, βασισμένες σε σχετικά μικρά δείγματα γαλαξιών του τοπικού Σύμπαντος, έδειξαν ότι η φωτεινότητα των ΔΣΑΧ συσχετίζεται με τον ρυθμό σχηματισμού άστρων, τη μάζα άστρων και τη μεταλλικότητα, αλλά δεν κάλυπταν σπάνιους ή ακραίους πληθυσμούς γαλαξιών. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την πρώτη αντικειμενική έρευνα ακτίνων Χ γαλαξιών στο Τοπικό Σύμπαν, μέσω του συνδυασμού των δεδομένων eROSITA (eRASS1) με τον κατάλογο γαλαξιών HECATEv2. Αυτό το μεγαλύτερο και πληρέστερο δείγμα ελαχιστοποιεί τις μεροληπτικές επιλογές δειγμάτων και θέτει ισχυρότερους περιορισμούς στη δημιουργία, εξέλιξη και αλληλεπίδραση των πληθυσμών ΔΣΑΧ με τους γαλαξίες. Συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η κατασκευή του HECATEv2, της δεύτερης έκδοσης του Heraklion Extragalactic Catalogue. Αυτός ο κατάλογος περιλαμβάνει όλους τους γνωστούς γαλαξίες εντός 200 Mpc και παρέχει εκτεταμένη και ομογενοποιημένη φωτομετρία, ανανεωμένες παραμέτρους αστρικών πληθυσμών και επικαιροποιημένες ταξινομήσεις γαλαξιακής δραστηριότητας. Χρησιμοποιώντας τον HECATEv2, στο δεύτερο μέρος μελετούμε τη σχέση της φωτεινότητας ακτίνων Χ με τις παραμέτρους των αστρικών πληθυσμών για το μεγαλύτερο δείγμα γαλαξιών που έχει εξεταστεί μέχρι σήμερα. Βρίσκουμε αυξημένη φωτεινότητα ακτίνων Χ που φθάνει έως 2 τάξεις μεγέθους πάνω από την αναμενόμενη. Αυτό οφείλεται σε εξαιρετικά φωτεινούς γαλαξίες με αυξημένη αστρογένεση, χαμηλές μεταλλικότητες και νεαρούς αστρικούς πληθυσμούς, αναδεικνύοντας τον ρόλο της μεταλλικότητας, της ηλικίας και των στοχαστικών διεργασιών στη διαμόρφωση των πληθυσμών ΔΣΑΧ. Με αφορμή τα αποτελέσματα αυτά, στο τελευταίο μέρος της διατριβής διερευνούμε λεπτομερώς τις στοχαστικές επιδράσεις, αναπτύσσοντας ένα στατιστικό πλαίσιο για την ερμηνεία της γαλαξιακής εκπομπής ακτίνων Χ που λαμβάνει υπόψη τη στοχαστική δειγματοληψία των κατανομών φωτεινότητας των ΔΣΑΧ.