Cosmic-ray feedback in active galactic nuclei and starburst galaxies: influence on interstellar gas clouds

Abstract

Supermassive black holes (SMBHs) are fundamental agents in galaxy evolution. Through feedback they regulate star formation and restructure the interstellar medium (ISM). While radiative feedback from luminous accretion episodes is comparatively well constrained, the mechanical and especially the non-thermal influence of jets via cosmic rays (CRs) remains less well quantified. This thesis investigates CR feedback as a physical link between active galactic nuclei (AGN), star-formation regions, and the surrounding gas, exploring how CRs from AGN jets and from supernova remnants modify ionization, heating, and emergent emission-line spectra in nearby galaxies by combining multi-wavelength observations with photoionization modeling. The analysis focuses on a representative sample of nearby systems, Centaurus A, NGC 1068, NGC 5728, NGC 253, and NGC 1320, observed with optical integral-field spectroscopy using the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) on the Very Large Telescope (VLT). For NGC 5728, additional mid-infrared (MIR) spectroscopy from the Mid-Infrared Instrument (MIRI) on the James Webb Space Telescope (JWST) is exploited. These datasets provide spatially resolved views of emission-line regions across environments shaped by AGN jets, circumnuclear star formation, and jet-interstellar medium (ISM) interactions. Interpretation is anchored in Cloudy model grids that explicitly include CR ionization and heating across a wide range of CR ionization rates, spanning also a wide range of initial hydrogen densities, solar metallicity, and radiation fields relevant to AGN and starburst galaxies. Incorporating CRs provides a physically motivated non-thermal heating term and yields quantitative predictions for how CR ionization alters optical and MIR line ratios. The results show that elevated CR ionization rates substantially reshape emission. CR ionization generates a warm secondary, partially ionized layer deep in the cloud that boosts low-ionization lines, [N II], [S II], and [O I], while leaving [O III], Halpha, and Hbeta only mildly affected. As the CR ionization rate rises, the models reproduce the Seyfert and LINER loci on Baldwin, Phillips, and Terlevich (BPT) diagrams at approximately solar metallicity, alleviating the need for supersolar metallicities. To account for CR-driven ionization, this work defines a revised maximum-starburst boundary, SFζ, in BPT parameter space. This boundary accounts for regions reproducible by star formation plus CR ionization.Furthermore, this thesis assesses the impact of CRs on the ionization of gas clouds by coupling spatially matched optical (VLT/MUSE) and mid-infrared (MIR, JWST/MIRI) spectroscopy with Cloudy modeling for NGC 5728. In the MIR, CRs enhance low-ionization emission lines, for example [Ne II] and [Ar II], while classical high-ionization transitions, for example [Ne V], [Ar V], and [O IV], remain predominantly governed by AGN photoionization. In NGC 5728, the joint optical and MIR analysis yields emission-line ratios consistent with elevated CR ionization rates especially in jet-impacted regions. Building on these results, the thesis advances a set of MIR and hybrid optical-MIR diagnostic diagrams that isolate the CR contribution. In particular, ratios constructed from low-ionization lines shift coherently with increasing CR ionization rate and thus act as practical tracers of CR ionization, whereas high-ionization transitions remain largely governed by AGN photoionization and continue to trace the hardness of the radiation field. Moreover, hybrid optical-MIR diagnostic diagrams can help disentangle the relative roles of CRs and shocks under specific physical conditions, namely across a wide range of CR ionization rates, low to moderate gas densities, and fixed metallicity. In this regime, although both mechanisms tend to enhance the [O I]/Halpha ratio, the inclusion of MIR line ratios reveals distinct trends, acting in a complementary manner to alleviate the associated degeneracies. Overall, the thesis introduces CR-aware optical and MIR diagnostics, including a revised maximum-starburst boundary applicable in environments where CRs are present. Together, the spatially resolved observations and Cloudy grids establish CRs, powered by AGN jets and supernovae, as a feedback channel that must be included when interpreting gas-cloud emission. Neglecting CR ionization can lead to misclassification of excitation mechanisms and biased estimates of fundamental parameters; the developed framework offers a path to recognize and quantify CR feedback in galaxies.

Οι υπερμεγέθεις μελανές οπές (Supermassive Black Holes, SMBHs) αποτελούν θεμελιώδεις παράγοντες της εξέλιξης των γαλαξιών. Μέσω μηχανισμών ανάδρασης ρυθμίζουν τον ρυθμό σχηματισμού αστέρων και αναδιαμορφώνουν το μεσοαστρικό μέσο (Interstellar Medium, ISM). Παρότι η ανάδραση με ακτινοβολία από φωτεινά επεισόδια προσαύξησης μάζας είναι σχετικά καθορισμένη, η μηχανική και ιδιαίτερα η μη θερμική επίδραση των πιδάκων μέσω των κοσμικών ακτίνων (Cosmic Rays, CRs) παραμένει λιγότερο ποσοτικοποιημένη. Η παρούσα διατριβή διερευνά την ανάδραση των CRs ως έναν φυσικό σύνδεσμο μεταξύ ενεργών γαλαξιακών πυρήνων (Active Galactic Nuclei, AGN), γαλαξιών με περιοχές σχηματισμού αστέρων και του περιβάλλοντος αερίου, εξετάζοντας πώς οι CRs από πίδακες AGN και από κατάλοιπα υπερκαινοφανών μεταβάλλουν τον ιονισμό, τη θέρμανση και τα φάσματα γραμμών εκπομπής σε κοντινούς γαλαξίες, συνδυάζοντας πολυφασματικές παρατηρήσεις με μοντελοποίηση φωτοϊονισμού. Η ανάλυση επικεντρώνεται σε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα κοντινών συστημάτων, Centaurus A, NGC 1068, NGC 5728, NGC 253 και NGC 1320, που παρατηρήθηκαν με οπτική ολοκληρωμένη φασματοσκοπία πεδίου μέσω του Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) στο Very Large Telescope (VLT). Για τον γαλαξία NGC 5728 αξιοποιούνται επιπλέον παρατηρήσεις μέσης υπέρυθρης (MIR) φασματοσκοπίας από το Mid-Infrared Instrument (MIRI) στο James Webb Space Telescope (JWST). Τα σύνολα δεδομένων αυτά παρέχουν χωρικά επιλυμένες απεικονίσεις των περιοχών γραμμών εκπομπής σε περιβάλλοντα που διαμορφώνονται από πίδακες AGN, περιοχές γύρω από τον πυρήνα με αστρογένεση και αλληλεπιδράσεις πίδακα και μεσοαστρικού μέσου (Interstellar Medium, ISM). Η ερμηνεία βασίζεται σε πλέγματα μοντέλων Cloudy που περιλαμβάνουν ιονισμό και θέρμανση από CRs, καλύπτοντας ευρύ φάσμα τιμών αρχικής πυκνότητας υδρογόνου, ηλιακή μεταλλικότητα και πεδία ακτινοβολίας κατάλληλα για AGN και γαλαξίες με αστρογένεση. Η ενσωμάτωση των CRs εισάγει έναν φυσικά τεκμηριωμένο μη θερμικό όρο θέρμανσης και αποδίδει ποσοτικές προβλέψεις για το πώς ο ιονισμός από CRs μεταβάλλει λόγους οπτικών και MIR γραμμών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αυξημένοι ρυθμοί ιονισμού από CRs αναδιαμορφώνουν σημαντικά την εκπομπή. Ο ιονισμός από CRs δημιουργεί ένα θερμό δευτερογενές, μερικώς ιονισμένο στρώμα σε βάθος εντός του νέφους, το οποίο ενισχύει γραμμές χαμηλού ιονισμού, [N II], [S II], [O I], ενώ αφήνει τις [O III], Hα και Hβ ήπια επηρεασμένες. Καθώς ο ρυθμός ιονισμού από CRs αυξάνεται, τα μοντέλα αναπαράγουν τις περιοχές Seyfert και LINER στα διαγράμματα Baldwin, Phillips και Terlevich (BPT) για ηλιακή μεταλλικότητα, μειώνοντας την ανάγκη για υπερ-ηλιακές μεταλλικότητες. Για να ληφθεί υπόψη ο ιονισμός από CRs, η εργασία ορίζει ένα αναθεωρημένο μέγιστο όριο για τις περιοχές με αστρογένεση, SFζ, στον χώρο των διαγραμμάτων BPT. Το όριο αυτό περιγράφει περιοχές που αναπαράγονται από αστρογένεση σε συνδυασμό με ιονισμό από CRs. Επιπλέον, η διατριβή αξιολογεί την επίδραση των CRs στον ιονισμό νεφών αερίου, συνδυάζοντας χωρικά αντιστοιχισμένη οπτική (VLT/MUSE) και μέση υπέρυθρη (MIR, JWST/MIRI) φασματοσκοπία με μοντέλα Cloudy για τον NGC 5728. Στο MIR, οι CRs ενισχύουν γραμμές χαμηλού ιονισμού, όπως [Ne II] και [Ar II], ενώ οι κλασικές μεταπτώσεις υψηλού ιονισμού, όπως [Ne V], [Ar V] και [O IV], παραμένουν κυρίως εξαρτημένες από φωτοϊονισμό AGN. Στον NGC 5728, η συνδυαστική ανάλυση στο οπτικό και MIR καταλήγει σε λόγους γραμμών εκπομπής συμβατούς με αυξημένους ρυθμούς ιονισμού από CRs, ιδίως σε περιοχές που επηρεάζονται από πίδακες. Βασιζόμενη σε αυτά τα αποτελέσματα, η διατριβή προτείνει ένα σύνολο διαγνωστικών διαγραμμάτων MIR και υβριδικών οπτικών-MIR που απομονώνουν τη συνεισφορά των CRs. Ειδικότερα, λόγοι που κατασκευάζονται από γραμμές χαμηλού ιονισμού μετατοπίζονται με την αύξηση του ρυθμού ιονισμού από CRs και λειτουργούν ως ιχνηλάτες του ιονισμού από CRs, ενώ οι μεταπτώσεις υψηλού ιονισμού παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ελεγχόμενες από τον φωτοϊονισμό AGN και συνεχίζουν να ανιχνεύουν τη σκληρότητα του πεδίου ακτινοβολίας. Επιπλέον, τα υβριδικά οπτικά-MIR διαγράμματα μπορούν να συμβάλουν στη διάκριση της συνεισφοράς των CRs από εκείνη των κρουστικών κυμάτων υπό συγκεκριμένες φυσικές συνθήκες, σε ένα ευρύ φάσμα ρυθμών ιονισμού από CRs, για χαμηλές έως μέτριες πυκνότητες αερίου και σταθερή μεταλλικότητα. Σε αυτό το καθεστώς, παρότι και οι δύο μηχανισμοί αυξάνουν τον λόγο [O I]/Hα, η συμπερίληψη λόγων MIR αναδεικνύει διαφορετικές τάσεις δρώντας συνεπικουρικά στην άρση των σχετικών εκφυλισμών. Συνολικά, η διατριβή εισάγει διαγνωστικά ευαίσθητα στις CRs στο οπτικό και στο MIR, συμπεριλαμβανομένου ενός αναθεωρημένου ορίου μέγιστης αστρογένεσης που εφαρμόζεται σε περιβάλλοντα όπου οι CRs είναι παρούσες. Μαζί, οι παρατηρήσεις με χωρική πληροφορία και τα πλέγματα Cloudy καθιερώνουν τις CRs, από πίδακες AGN και υπερκαινοφανείς, ως έναν δίαυλο ανάδρασης που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ερμηνεία της εκπομπής από νέφη αερίου. Η παράλειψη του ιονισμού από CRs μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένη ταξινόμηση των μηχανισμών διέγερσης και σε μεροληπτικές εκτιμήσεις θεμελιωδών παραμέτρων. Το πλαίσιο που αναπτύσσεται προσφέρει έναν δρόμο για την αναγνώριση και ποσοτικοποίηση της ανάδρασης των CRs στους γαλαξίες.