Properties of the interstellar medium in distant star-forming galaxies

Le galassie assemblano la loro massa stellare per lo più in tempi lunghi a un ritmo moderato, sebbene episodi stocastici possano innescare una esplosione di stelle che spinge il tasso di formazione delle stelle a valori estremi per un breve periodo di tempo. L'evoluzione delle galassie termina infine con l'estinzione della formazione stellare ben al di sotto dei valori medi, probabilmente a causa dell'attività del buco nero centrale, in grado di iniettare grandi quantità di energia nel mezzo interstellare della galassia attraverso potenti venti, detti outflow. Capire i dettagli della crescita della galassia, i modi in cui le stelle si formano all'interno delle galassie e il modo in cui le galassie si estinguono sono argomenti ancora dibattuti e studiare le proprietà delle galassie che formano le stelle e la connessione con l'attività del buco nero centrale può far luce su i diversi meccanismi che modellano le galassie nel tempo cosmico. Gli episodi di formazione stellare, il buco nero e l'attività di outflow nelle galassie sono principalmente studiati tramiteosservazioni nel regime ottico-UV, ma questo intervallo di lunghezze d'onda è fortemente influenzato dall'oscuramento della polvere. Pertanto, è essenziale modellare l'effetto della polvere sullo spettro della galassia. Questa tesi utilizza osservazioni spettroscopiche near-IR per studiare galassie ricche di polvere e con un elevato tasso di formazione stellare a 0,7 ≤ z ≤ 2,5 per analizzare le loro proprietà di attenuazione della polvere e indagare le caratteristiche del gas ionizzato contenuto in esse. Il campione analizzato in questo lavoro include galassie rappresentative della popolazione media di galassie, galassie "starburst:, che formano stelle con tassi molto piu elevati rispetto alla popolazione media e galassie che ospitano un nucleo galattico attivo (AGN). Per un campione di 79 galassie "normali" selezionate da osservazioni del telescopio Herschel a 0,7<z<1,5, ho utilizzato osservazioni di spettroscopia slitless HST nel vicino IR per studiare l'attenuazione sulla riga in emissione Hα. Ho studiato l'attenuazione della polvere Hα in funzione dei parametri integrati (ad es. M⋆, SFR_FIR e attenuazione della polvere sul continuo) derivati ​​mediante il fit della distribuzione di energia spettrale della copertura fotometrica ausiliaria di alta qualità da UV a lontano IR. In questo studio, ho mostrato che la riga di emissione Hα e l'emissione sul continuo continuo sono attenuati di una quantità simile, a differenza di quanto osservato su galassie star-forming dell'universo locale. Inoltre, mostro che l'attenuazione sulla riga Hα cresce con la massa stellare e questa tendenza si discosta dalla relazione locale verso valori più alti di attenuazione della polvere. Entrambi i risultati suggeriscono un'evoluzione delle proprietà di attenuazione della polvere con il redshift ed i parametri delle galassie stesse. In questa tesi, ho analizzato anche gli spettri near-IR di dodici galassie starburst a z ~ 1.6 usando la spettroscopia in fibra di FMOS a Subaru. Tramite questi dati, ho misurato il contenuto di metalli mostrando che tali oggetti a z ~ 1.6 sono ricche in metalli, a causa di un rapido arricchimento e / o un ruolo trascurabile dell'afflusso di gas dall'esterno per supportare la formazione stellare. Ho anche mostrato indicazioni che tali oggetti hanno densità elettroniche maggiori rispetto alle galassie "normali" che formano le stelle e un parametro di ionizzazione più ampio. Soprattutto, dimostro che gli effetti della polvere sono drammatici in questa classe di oggetti. Da un confronto tra gli indicatori di attenuazione della polvere, mostro infatti che circa il 90% della formazione stellare è sepolto in nuclei fortemente oscurati, cosicché le lunghezze d'onda ottiche di rest-frame non forniscono una panoramica completadi questa classe di sorgenti. Discuto le implicazioni di queste scoperte per l'interpretazione di galassie starburst fortemente oscurate. Fornisco infine un toy model per descrivere l'attenuazione e la distribuzione della polvere in questi oggetti, avvertendo che il contenuto di metalli e le condizioni del mezzo interstellare (ISM) delle regioni a formazione stellare rimangono non vincolate. Per comprendere meglio la connessione tra accrescimento del buco nero e attività di formazione stellare, presento uno studio preliminare delle fonti dominate dagli AGN tra le galassie starburst a z ~ 1.6. Uso gli spettri FMOS near-IR per limitare la loro attenuazione della polvere, trovando indicazioni che è inferiore rispetto al campione di galassie starburst senza AGN. Discuto il rilevamento di una componente blue-shifted nell'emissione di [OIII] 5007 osservata nello spettro vicino IR di questi oggetti AGN a z ~ 1.6 che indicano la presenza di materiale in outflow. Inoltre, da un'ispezione visiva della morfologia, osservo che l'AGN risiede in coppie di galassie interagenti più compatte rispetto a quanto osservato sulla popolazione di starbust dominati dalla formazione stellare. Se confermato, tutti questi risultati preliminari fornirebbero un forte sostegno all'idea che gli AGN stanno ripulendo il loro ambiente dalla polvere dopo una fase di intensa formazione stellare all'interno di regioni molto polverose, una teoria teorizzata da 30 anni ma non ancora confermata. Infine, introduco le tecniche di Spettroscopia a Campo Integrale (IFU) nel contesto della survey SUPER, un programma di osservazioni in corso con SINFONI progettato per svelare il ruolo dell'AGN nel ciclo di vita delle galassie star-forming a z~2. Le osservazioni IFU sono fondamentali per aggiungere le informazioni geometriche allo studio degli outflow e ai processi di formazione stellare. Presento l'analisi scientifica su un oggetto selezionato dalle osservazioni SUPER preliminari, per discutere il potenziale delle osservazioni SUPER nell'ottenere una panoramica completa degli AGN outflow, il suo legame con l'AGN e le proprietà della galassia e il suo impatto sulla vita di quest'ultima. Complessivamente, questa Tesi dimostra che le tecniche spettroscopiche sono un potente strumento per limitare le proprietà delle galassie a formazione stellare polverose ad alto redshift. Questo lavoro sottolinea anche l'importanza di uno studio parallelo e accurato del SED a più lunghezze d'onda delle galassie che copre lo spettro elettromagnetico dall'UV al lontano IR. I risultati presentati attraverso questo lavoro sono stati possibili grazie all'uso di tecniche a più lunghezze d'onda, l'ultimo approccio per affrontare i problemi aperti negli studi Galaxy Evolution.