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Eight Gigayears of Galaxy Mergers

Robaina Rapisarda, Aday

German Title: Acht Milliarden Jahre Galaxienverschmelzungen

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Abstract

Galaxy interactions are expected to play a crucial role in the build--up of stellar mass in any cold dark matter cosmology. Of particular interest are the mergers between systems of a comparable mass, as they are predicted to be one of the main modes of galaxy growth and have a crucial impact in the shaping of galaxy morphologies and dynamics. In this thesis I study two key aspects of the role that mergers play in galaxy evolution: a) What is the contribution of major galaxy interactions to the star formation history of the Universe at z < 1?, and b) How important are galaxy interactions for the build--up of the massive end of the red sequence? To answer the first question I use photometric redshifts, stellar masses and UV star formation rates from COMBO-17, 24 microns star formation rates from Spitzer and galaxy morphologies from two deep Hubble Space Telescope cosmological survey fields to study the enhancement in star formation activity as a function of galaxy separation. I apply robust statistical tools to find galaxies in close pairs, augmented with morphologically-selected very close pairs (unresolved in the ground-based photometry) and merger remnants from the Hubble Space Telescope imaging, finding that, on average, major galaxy interactions between galaxies more massive than 10^10 M_sun at 0.4<z<0.8 enhance the star formation activity by a factor of less than 2. I carry out detailed modeling of the methodology using a mock galaxy catalog from the Millenium Simulation, finding that in the regime applicable to this work the recovered enhancement in SF rate is accurate to better than 10%, smaller than the other sources of uncertainty. Accounting for the fraction of merging and interacting systems, I integrate the enhanced star formation to demonstrate that less than 10% of star formation activity is directly triggered by those interactions. To answer the second question I look for close pairs of galaxies on a sample drawn from the COSMOS and COMBO-17 galaxy surveys to find that the fraction of M_* > 5x10^10M_sun galaxies in close pairs (a proxy for the fraction of objects involved in an interaction) were more common 7 Gyrs ago by a factor ~2. By converting this merger fraction to a merger rate I estimate that 70% of the very massive galaxies (M_*>10^11 M_sun) have undergone a merger since z=1.2. This merger rate is sufficient to explain the observed number density evolution of such massive galaxies in the last 7 Gyrs. Merging plays, therefore, a dominant role in the formation of massive galaxies in the Universe.

Translation of abstract (German)

Es wird erwartet, dass Wechselwirkungen zwischen Galaxien in jeder, auf kalter dunkler Materie aufbauenden Kosmologie eine entscheidende Rolle beim Aufbau stellarer Masse spielen. Von besonderem Interesse sind Verschmelzungen von Systemen "{a}hnlicher Masse. F"{u}r diese wird vorhergesagt, einen der Hauptmechanismen f"{u}r das Wachstum von Galaxien darzustellen und einen entscheidenden Beitrag zu leisten Morphologie und Dynamik von Galaxien zu formen. In dieser Arbeit untersuche ich zwei Schl"{u}sselaspekte von Verschmelzungen in Bezug auf Galaxienentwicklung: a) Was ist der Beitrag der Wechselwirkungen von Galaxien "{a}hnlicher Masse zur Sternentstehungsgeschichte des Universums bei $z<1$?, und b) Wie wichtig sind Wechselwirkungen zwischen Galaxien um den massereichen Teil der roten Sequenz'' aufzubauen? Um die erste Frage zu beantworten benutzte ich photometrische Rotverschiebungen, stellare Massen und UV Sternentstehungsraten von COMBO--17, 24$mu m$ Sternentstehungsraten von Spitzer und Galaxienmorphologien von zwei tiefen kosmologischen Durchmusterungsfeldern des Hubble Weltraumteleskops, um die Zunahme der Sternentstehungsaktivit"{a}t als Funktion des Galaxienabstands zu untersuchen. Ich wende dazu robuste statistische Methoden an, um Galaxien in engen Paaren zu finden und reichere diese Auswahl mit morphologisch ausgew"{a}hlten sehr engen Paaren (nicht aufgel"{o}st in bodengebundener Photometrie) und Galaxien in Nach-Verschmelzungszust"{a}nden aus Hubble Weltraumteleskop Aufnahmen an. Damit finde ich, dass im Mittel Wechselwirkungen zwischen Galaxien "{a}hnlicher Massen oberhalb von $10^{10} M_sun$ bei $0.4 < z < 0.8$ die Sternentstehungsaktivit"{a}t um einen Faktor von weniger als 2 steigern. Ich f"{u}hre detailierte Modelierungen der Methodik unter der Benutzung eines k"{u}nstlichen Galaxienkatalogs aus der Millenium Simulation durch und finde dabei, dass in dem in dieser Arbeit untersuchten Parameterbereich, die Erh"{o}hung der Sternentstehungsrate mit Unsicherheiten kleiner als 10% bestimmt wird, weniger als die anderer Fehlerquellen. Unter Ber"{u}cksichtigung des Anteils verschmelzender und wechselwirkender Systeme integriere ich die erh"{o}hte Sternentstehungsrate, um zu demonstrieren, dass weniger als 10% der Sternentstehungsaktivit"{a}t direkt von solchen Wechselwirkungen hervorgerufen wird. Um die zweite Frage zu beantworten, betrachte ich enge Galaxienpaare in einer Auswahl aus den COSMOS und COMBO-17 Galaxiendurchmusterungen und finde, dass der Anteil von $M_* > 5 times 10^{10} M_sun$ Galaxien in engen Paaren (stellvertretend f"{u}r den Anteil von Objekten, die an Wechselwirkungen beteiligt sind) vor 7 Milliarden Jahren um einen Faktor $sim 2$ gr"{o}sser war. Indem ich diesen Anteil der Verschmelzungsprozesse in eine Verschmelzungsrate umwandle sch"{a}tze ich ab, dass 70% der massereichsten Galaxien ($M_* > 10^{11} M_sun$) seit einer Rotverschiebung von z=1.2 an einer Verschmelzung beteiligt waren. Diese Verschmelzungsrate ist ausreichend um die beobachtete Entwicklung der Anzahldichte solch massereicher Galaxien in den letzten 7 Milliarden Jahren zu erkl"{a}ren. Galaxienverschmelzungen spielen daher eine dominierende Rolle in der Entstehung massereicher Galaxien im Universum.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Rix, Prof. Dr. Hans-Walter
Date of thesis defense: 25 February 2010
Date Deposited: 04 Jun 2010 12:09
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Uncontrolled Keywords: galaxies , interactions , galaxy evolution
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