Properties of Quasistellar Objects and their progenitors in the radio and mm wavelength regimes in the context of ULIRG-to-QSO evolution

König, Sabine (2010). Properties of Quasistellar Objects and their progenitors in the radio and mm wavelength regimes in the context of ULIRG-to-QSO evolution. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The thesis at hand presents the results of a study of galaxies with active galactic nuclei (AGN) carried out in the radio and mm wavelength regimes at low and high angular resolutions. The studied objects cover a broad range of mechanisms responsible for powering the engines of the respective galaxies: ULIRGs (UltraLuminous Infrared Galaxies), a product of mergers between galaxies that are supposedly powered by starbursts, AGN or a mixture of the two, and QSOs (quasi-stellar objects) which are powered by AGN. Since ULIRGs and QSOs show similar properties (especially the infrared luminosities), it was proposed that they form the early and late phase of an evolutionary sequence where supposedly ULIRGs are the dust enshrouded progenitors of QSOs. As a prototypical ULIRG, Arp 220 represents an early-to-intermediate phase object in the scheme of the ULIRG-to-QSO evolution. For this object observations at multiple mm wavelengths and angular resolutions with the IRAM Plateau de Bure Interferometer (PdBI) are presented and analyzed. Arp 220 as a whole is studied in CO emission of the more extended structure. Furthermore, Arp 220-East is analyzed in more detail in the CO gas. Indications for emission ~10" towards the south, as well as to the north and to the west of the two nuclei, were found in the low resolution CO(1-0) maps. The work on this source was complemented by performing an N-body simulation of the merger of the two precursor galaxies of Arp 220. From the modeling the mass ratio of the disks of the progenitor galaxies was determined to be 1:2. The best t of the model parameters to the available data resulted in an age for the merger of 6x10^8 years. The 27 studied sources from the sample of nearby low-luminosity QSOs however, are representatives of the nal stage in the afore mentioned evolutionary scheme. In this part of the thesis, the properties of these nearby QSO host galaxies are studied in the mm and cm wavelength regimes: Several of the sources have been probed for HI. 45% of the sample sources were detected in HI with gas masses between 1.1x10^9 and 3.8x10^10 M_sun. The comparison to the atomic gas content of our Galaxy showed a factor of ~2 higher than the median gas mass for the sample sources. Indications for interactions in some QSO hosts were found in the HI spectra as well as in the DSS (Digitized Sky Survey) images. Their morphological appearance of the QSOs is a topic also addressed in this thesis, as well as the far-infrared (FIR) properties of the sample objects. A study of the water vapor megamaser transition at 22 GHz continues this work. No detection was found. Additionally, the knowledge about water megamasers is reviewed and the dierences between the two classes of active galactic nuclei, Seyfert galaxies and QSOs, are discussed in terms of the unied scheme for water megamaser emission. In the course of the almost 3 years of work leading to this thesis, I performed the reduction of all data shown (except the data reduction of the PdBI CO data for Arp 220) myself, and conducted and set up the biggest part of all observations for the sample of nearby low-luminosity QSO host galaxies. All analyses and simulations presented in this work were performed by me.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Eigenschaften quasistellarer Onjekte und ihrer Vorstufen im Radio- und Millimeterwellenlängenbereich Im Kontext der ULIRG-zu-QSO-Evolution	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Die hier vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse einer Studie von Galaxien mit aktiven Galaxienkernen (AGN) dar. Diese Untersuchungen wurden in den Millimeter- und Radiowellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums, sowohl bei niederigen als auch bei hohen Winkelau flösungen, durchgeführt. Die für die Energieproduktion verantwortlichen Mechanismen der hier untersuchten Objekte umspannen einen großen Bereich: Die Energieemission von ULIRGs (Ultraleuchtkräftige Infrarot-Galaxien) kann hauptsächlich, je nach Entwicklunsstadium, von einer Periode intensiver Sternentstehung (Starburst) oder einem AGN, oder einer Mischung aus beiden Prozessen hervorgerufen werden, während die Energierzeugung in quasistellaren Objekten (QSOs), eindeutig, hauptsächlich durch einen aktiven Kern passiert. Da ULIRGs und QSOs ähnliche Eigenschaften aufweisen (z.B. bei Infrarotleuchtkraft und Raumdichte) wurde vermutet, dass ULIRGs und QSOs die Früh- und Spätphasen des gleichen evolutionären Entwicklungspfades darstellen. Diesem Evolutionsmodell folgend sind ULIRGs die von Staub verhüllten Vorfahren der QSOs. Arp 220 ist ein prototypischer Vertreter der Klasse von Objekten, die als ULIRGs bekannt sind. Als ULIRG verkörpert diese Galaxie eine frühe bis intermediäre Phase im Modell der sogenannten ULIRG-QSO-Entwicklung. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse für Arp 220 beruhen hauptsächlich auf Beobachtungen, die im mm-Wellenlängenbereich mit dem Plateau de Bure Interferometer (PdBI), welches zum IRAM-Institut gehört, gemacht wurden. Diese PdBI-Beobachtungen wurden bei verschiedenen Wellenlängen und räumlichen Aulösungen durchgeführt. Die Analyse dieser Beobachtungen und die daraus resultierenden Ergebnisse werden durch die hier vorliegende Doktorarbeit vorgestellt. Es wurde eine genauere Analyse von Arp 220-Ost durchgeführt. Desweiteren wurde auch die ausgedehntere Emission von Arp 220 mit der Hilfe des CO-Moleküls untersucht. Dabei wurden mit Hilfe von CO(1-0)-Beobachtungen niederiger Aulösung, Bereiche ausgedehnter Gasmassen ~10" südlich von Arp 220, als auch im Norden und Westen der Galaxie entdeckt. Die Untersuchung dieses extragalaktischen Objektes wird durch die Simulation der Verschmelzung der Vorgängergalaxien von Arp 220 vervollständigt. Für die Simulationen wurde der sogenannte 'N-body code' benutzt. Dabei wurde das Massenverhältnis der Galaxienscheiben der Vorgängergalaxien zu 1:2 bestimmt. Das Modell, welches die besten Ergebnisse, im Vergleich mit den vorliegenden Beobachtungsdaten, lieferte ergab für die Entwicklungszeit der Verschmelzung der Galaxien ein Alter von 6x10^8 Jahren. Die ausgewählten nahen leuchtschwachen QSOs repräsentieren hingegen die Endphase des schon erwähnten Evolutionsmodelles von ULIRGs zu QSOs. In diesem Teil der Doktorarbeit werden die Ergebnisse einer Studie der Eigenschaften von nahen QSO-umgebenden Galaxien im Millimeter- und Radiowellenlängenbereich dargestellt. Alle Quellen dieser Auswahl an Objekten wurden auf das Vorhandensein von HI-Emissionslinien untersucht. Bei 45% der untersuchten Objekte konnte atomarer Wasserstoff nachgewiesen werden. Es ergaben sich dabei Gasmassen von 1.1x10^9 bis zu 3.8x10^10 M_sun. Der Vergleich des HI-Gehaltes der nahen QSOs mit dem der Milchstraße ergab eine um den Faktor 2 größere mittlere Gasmasse für die QSOs bezogen auf unsere Galaxie. Desweiteren wurden die HI-Spektren und DSS-Bilder auf Anzeichen für Wechselwirkungen mit anderen Galaxien untersucht.Außerdem werden die morphologische Erscheinung und die Eigenschaften der QSOs im Fern-Infrarotbereich analysiert. Die Untersuchung naher QSO-Galaxien wird durch eine Studie von Wasserdampfmaseremission bei einer Frequenz von 22 GHz ergänzt. Leider konnte dabei keine Maseremission detektiert werden. Zusätzlich wird der Unterschied zwischen zwei verschiedenen Klassen von Galaxien mit aktiven Kernen, in Hinsicht auf das Vereinheitlichungsmodell von AGN, in Bezug auf Megamaseremission, diskutiert: Seyfertgalaxien und QSOS. Alle hier gezeigten Daten, mit Ausnahme der CO-Daten, wurden von mir reduziert. Der Großteil der Beobachtungen der nahen QSO-Galaxien habe ich aufgesetzt oder selbst durchgeführt. Alle hier präsentierten Analysen und Simulationen wurden von mir selbst ausgeführt.

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