University of Groningen Star formation and AGN activity in distant massive galaxies Podigachoski, Pece IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2016 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Podigachoski, P. (2016). Star formation and AGN activity in distant massive galaxies [Groningen]: Rijksuniversiteit Groningen Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 21-01-2019
Samenvatting Slechts honderd jaar geleden nog dachten astronomen dat alles wat ze konden waarnemen aan de hemel bestond uit één enkel stersysteem, namelijk onze Melkweg. De daaropvolgende wetenschappelijke ontwikkeling is opmerkelijk en heeft ons beeld van het heelal drastisch veranderd. We weten nu dat er miljarden sterrenstelsels bestaan die de bouwstenen van het universum vormen. Een typisch sterrenstelsel bestaat uit honderden miljarden sterren, enorme hoeveelheden gas en stof en ook uit donkere materie, waarvan de aard een van de belangrijkste open vragen blijft in de moderne astrofysica. We weten ook dat in het centrum van de meeste, zo niet alle, massieve sterrenstelsels andere belangrijke componenten schuilen, de zogenaamde superzware zwarte gaten (in het Engels supermassive black hole, SMBH). De episodische accretie van materie op deze mysterieuze objecten van een miljoen tot een paar miljard zonsmassa s produceert gigantische hoeveelheden energie. Gedurende deze periodes worden de kernen van de desbetreffende sterrenstelsels ook wel actieve galactische kernen genoemd (in het Engels active galactic nuclei, AGN 1 ). Actieve galactische kernen De ontdekking van AGN wordt vaak toegeschreven aan Carl Seyfert, die in 1943 een aantal emissielijnen afkomstig uit de kern in zes anderzijds normale optische spectra van sterrenstelsels rapporteerde. Zijn werk bleef echter grotendeels onopgemerkt, tot na het einde van de Tweede Wereldoorlog de radioastronomie zich ontwikkelde en het belang ervan werd ingezien. De daaropvolgende samenwerking tussen astronomen werkend in het optische en radiodomein leidde tot de verbinding van enkele van de helderste radiobronnen aan de hemel met reeds bekende actieve sterrenstelsels. Waarnemers en theoretici werden het snel eens dat de radiostraling en de emissielijnen in optische spectra waarschijnlijk veroorzaakt werden door de accretie van interstellaire materie op een SMBH. Het eerste radio-onderzoek van de hemel en de ontdekking van een verafgelegen quasar in 1963 door Maarten Schmidt leidden er uiteindelijk toe dat AGN-onderzoek onderdeel werd van de heersende stroom van onderzoek in de astronomie, gedurende de afgelopen decennia. Ook nu is het onderzoek naar AGN nog een belangrijk onderdeel van de as- 1 De afkorting AGN staat dus zowel voor active galactic nucleus, als voor de meervoudsvorm active galactic nuclei.
162 Samenvatting Figuur 1: Een schematisch model van een active galactische kern. Merk de sterke radiostraal in geval van een radioluide AGN op in de bovenste helft van de figuur. Buiten de accretieschijf bevindt zich een ring (torus) van ondoorzichtig stof die maakt dat de AGN een richtingsafhankelijke aanblik heeft. Het model is overgenomen uit het werk van Heckman & Best, gepubliceerd in de Annual Review of Astronomy and Astrophysics van 2014. tronomie. De actieve galactische kernen van sterrenstelsels zijn de meest energetische objecten in het heelal en stralen veel fotonen uit over een groot deel van het elektromagnetische spectrum via zowel thermische als niet-thermische processen. In het gevestigde SMBHparadigma is de motor van een AGN de zeer efficiënte omzetting van accretie van materie op een SMBH naar energie. In dit model bestaat een AGN naast een centraal zwart gat met omringende accretieschijf uit brede en smalle emissielijnregio s, een verborgen torus en in sommige gevallen uitgaande gasstralen, die ook wel jets genoemd worden (zie figuur 1 voor een schematische illustratie). De brede- en smallelijn regio s zijn de bron van de respectievelijk brede en smalle optische emissielijnen in AGN-spectra terwijl de jets de energiebron zijn van de radiostraling.
163 Uit historische overwegingen, maar ook door de beschikbaarheid van instrumenten gericht op waarnemingen buiten de optische en radiogolflengtes, is er een overvloed aan AGN-types ontstaan in de literatuur, die gezamenlijk de zogenaamde AGN zoo vormen. Vele studies hebben de afgelopen jaren geprobeerd om de verschillende types AGN op basis van verschillende eigenschappen samen te voegen. In het kort zijn de twee fundamentele aspecten die tot verschillende AGN leiden de draaiing (en mogelijk de massa) van het SMBH en de efficiëntie van de accretie. Het eerste verdeelt de AGN in radioheldere of radioluide (snelle draaiing/hoge massa) en radiozwakke AGN, terwijl de tweede onderscheid maakt tussen stralingsmodus (efficiëntie) en radiomodus. Een verdere indeling van de stralingsmodus-agn-klasse kan begrepen worden door effecten als gevolg van oriëntatie (oftewel kijkhoek ten opzichte van de centrale as). De verduisterende torus van stof en gas speelt een centrale rol in dit onderscheid tussen Type-1 en Type-2 AGN, afhankelijk of de binnenste AGN-gebieden niet of wel verduisterd worden. De twee stralingsmodus- en radioluide-agn-types die succesvol verenigd kunnen worden volgens het op oriëntatie gebaseerde unificatie-model worden radiosterrenstelsels (Type 2) en radioluide quasars genoemd (zie figuur 1) en vormen het onderwerp van dit proefschrift. Stervorming en de rol van stof De transformatie van gas in sterren is naast de kernactiviteit een tweede fundamenteel proces dat de structuur en evolutie van (actieve) sterrenstelsels bepaald. Het proces van stervorming wedijvert met AGN om dezelfde brandstof en vereist een rijk aan koel moleculair gas zijnde omgeving met een hoge dichtheid, en vindt daarom vooral plaats in reusachtige moleculaire wolken. Afhankelijk van de hoeveelheid beschikbaar materiaal en de geldende condities in een sterrenstelsel kan de stervormingsactiviteit per tijdseenheid (ook wel bekend als de stervormingssnelheid) variëren over ordes van grootte, van bijna nul zoals in sommige elliptische sterrenstelsels tot aan gematigde (ongeveer een zonsmassa per jaar zoals in de Melkweg) of uitzonderlijke stervormingsactiviteit in sommige sterrenstelsels, die daarom ook wel starbursts worden genoemd. Uit onderzoek blijkt dat de opbouw van sterren in sterrenstelsels een maximum had toen het universum twee tot zes miljard jaar oud was (roodverschuiving 1 < z < 3). Dat valt samen met de periode waarin de groei van zwarte gaten piekte, oftewel hoe vaak AGN voorkwamen. Dit suggereert dat de twee groeiprocessen waarschijnlijk van elkaar afweten en elkaar mogelijk beïnvloeden. Quantificatie van stervormingsactiviteit gaat het beste in ultraviolet, UV licht. Echter, daar is ook de dominante AGN emissie: scheiding van de twee processen is dus lastig. Het is gebleken dat waar beide processen tegelijk werkzaam zijn thermische emissie van stof de beste indicator van stervormingsactiviteit is. Astrofysische stofdeeltjes die vooral bestaan uit koolstof (denk aan roet) en die ook een rol spelen bij het proces van stervorming, absorberen de UV en optische straling van de nieuw gevormde hete sterren en stralen die opnieuw uit bij ver-infrarode golflengtes. In actieve stelsels is stof daarnaast ook aanwezig in de AGN torus, maar door het aanzienlijk sterkere AGNstralingsveld wordt het tot hogere temperaturen verwarmd en zendt het voornamelijk uit op mid-infrarode golflengtes. Het is daarom cruciaal voor het kwantificeren van de stervormingssnelheid in actieve sterrenstelsels om de infrarode straling als gevolg van stervorming te scheiden van die van de AGN-activiteit.
164 Samenvatting Figuur 2: Herschel Space Observatory. Credit European Space Agency (ESA). Doordat verreweg alle infrarode straling uit de ruimte wordt geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde kan de infrarode hemel het best bestudeerd worden met telescopen die als satellieten rond de aarde draaien. De meest recente van deze infraroodsatellieten was de succesvolle Herschel Space Observatory (zie figuur 2) Herschel is de grootste infraroodruimtetelescoop die ooit is gelanceerd en heeft een nog niet eerder bereikte gevoeligheid, resolutie en golflengtebereik. Door de missende golflengten tussen die van de mid-infrarode ruimtetelescoop Spitzer en die van de submillimetertelescopen op aarde te dichten, heeft Herschel een nieuw paar ogen geïntroduceerd op ver-infrarode golflengtes. Dit maakte studies mogelijk van kosmische stervorming sinds het begin van het universum en in het bijzonder in verafgelegen actieve sterrenstelsels. Dit proefschrift Wij hebben gevoelige Herschel-waarnemingen gedaan en deze gebruikt in combinatie met data van een aantal telescopen op aarde en in de ruimte om een systematisch onderzoek uit te voeren naar de wisselwerking tussen AGN-activiteit en stervorming in verafgelegen, massieve actieve sterrenstelsels. De bestudeerde objecten zijn gekozen uit een belangrijke, veel bestudeerde, complete verzameling van radiosterrenstelsels en radioluide quasars die decennia lang al als kosmische mijlpalen fungeren. Deze selectie stelde ons ook in staat om het op oriëntatie gebaseerde unificatie-model van krachtige radioluide AGN te testen. Hieronder worden onze belangrijkste bevindingen opgesomd.
165 Figuur 3: Artist impressie van vuurwerk in het vroege universum een radio sterrenstelsel met een steruitbarsting. Figuur niet op schaal. Credit ESA/Christophe Carreau/ ATG medialab. In Hoofdstuk 2 hebben wij aangetoond dat ongeveer de helft van de geselecteerde actieve sterrenstelsels gigantische stervormingssnelheden van honderden zonsmassa s per jaar hebben. Aan deze hoge-roodverschuiving starbursts wordt gemakshalve gerefereerd als vuurwerk in het vroege universum (zie figuur 3). We hebben, bij de aanwezigheid van krachtige AGN-activiteit met vergelijkbare infraroodhelderheid als die van een starburst, geen duidelijk bewijs gevonden voor onderdrukking van stervorming, in tegenstelling tot wat gepostuleerd wordt. We hebben daarentegen aanwijzingen gevonden dat AGN-activiteit in sommige gevallen de vorming van nieuwe sterren bevordert, een bevinding die bevestigd moet worden door verder onderzoek. De superieure ruimtelijke resolutie van Herschel stelde ons in staat om de infrarode straling van onze AGN sterrenstelsels goed te lokaliseren. In Hoofdstuk 3 laten we zien dat de heldere infrarode straling die voorheeen toegeschreven werd aan één actief sterrenstelsel uit onze verzameling in feite vooral afkomstig is van omringende objecten en niet van het actieve stelsel, de quasar 3C 318. Voor het oriëntatie-unificatiemodel van krachtige radioluide AGN zijn er in de afgelo-
166 Samenvatting pen 25 jaar sterke argumenten gepresenteerd, gebaseerd op een scala van waarnemingsgegevens over een groot bereik van golflengtes. In dit model zijn krachtige radiosterrenstelsels en radioluide quasars dezelfde objecten, waarbij de verschillen zijn te verklaren door een verschil in kijkhoek. In Hoofdstuk 4 laten we zien dat ook de waarnemingen in het ver-infrarood het model ondersteunen. We stelden vast dat radiosterrenstelsels en quasars in onze verzameling opmerkelijk vergelijkbare eigenschappen hebben, en dat de verschillen tussen de klassen toe te schrijven zijn aan de kijkhoek. Beide resultaten zijn geheel in overeenstemming met de voorspellingen van het unificatiemodel. In Hoofdstuk 5 wordt een studie naar de eigenschappen van een dozijn verre Herschelgedetecteerde (oftewel heldere objecten in het ver-infrarood) radiosterrenstelsels beschreven. Gebruik makend van een nieuw ontwikkelde computercode hebben we een grote verscheidenheid aan theoretische modellen voor de straling van deze objecten berekend, op basis van relevante astrofysica en moderne inzichten op het terrein van de sterevolutie. We hebben deze modellen gebruikt in combinatie met de nieuwste AGN-modellen teneinde de eigenschappen van de sterren in de AGN sterrenstelsels te voorspellen. We hebben laten zien dat de beschikbare waarnemingen het best kunnen worden beschreven door een model waarbij, naast een sterke AGN-activiteit in het mid-infrarood, radiosterrenstelsels twee aparte stellaire populaties hebben: een relatief jonge en een relatief geëvolueerde. De eerste domineert de emissie in het ver-infrarode regime en in de totale stellaire lichtkracht, terwijl de laatste vooral in het optische en nabij-infrarode gebied straalt en het grootste deel van de stellaire massa bevat in de actieve sterrenstelsels. In tegenstelling tot de indrukwekkende hoeveelheid multi-golflengte fotometrische waarnemingen staat het gebrek aan moderne optische spectroscopie voor onze verzameling actieve sterrenstelsels. In Appendix A hebben we een eerste onderzoek gepresenteerd, dat gebruikmakend van 10-meter telescopen, hier verandering in brengt. We hebben gevonden dat, door toedoen van de sterke AGN-activiteit, de algemeen voorkomende ultraviolette emissielijnen niet gebruikt kunnen worden om de stervormingssnelheid te kwantificeren. De mogelijke toepasbaarheid van de verhouding van de C III] en He II emissielijnen om de stervormingssnelheid te bepalen vereist verder systematische onderzoek van veel meer radiosterrenstelsels. In Appendix B tenslotte gaven we de resultaten van de Herschel fotometrie van een aanvullende verzameling radio-heldere AGN, waarvan de eigenschappen vergelijkbaar zijn met die beschreven in Hoofdstuk 2. De resultaten van dit proefschrift onderstrepen het belang van de wisselwerking tussen AGN en stervormingsactiviteit in het verre universum. Verdere vooruitgang in ons begrip van deze symbiose valt in de komende jaren te verwachten van de revolutionaire Atacama Large Millimeter Array.