German Title: Galaxien Evolution : Beobachtungen im Zeitbereich und 3D Spektroskopie

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Abstract

Understanding the formation and evolution of galaxies through cosmic time has been a central focus of astrophysics in the last decades: how did the interplay between dark matter structure formation, star formation, galaxy merging, and active galactic nuclei (AGN) give rise to the observed galaxy properties at different redshifts? This thesis presents innovative observational approaches to two aspects of this problem: finding and studying AGN through their variability, and making a first systematic census of galaxy mergers at z > 1 through three-dimensional spectroscopy. First we present a new and simple technique for selecting extensive, complete, and pure quasar samples via their intrinsic variability, parameterizing the single-band light-curve structure function through a power-law to identify quasars among other variable and non-variable sources. Using extensive multi-epoch observations from SDSS Stripe 82 containing ~60 epochs taken over 8 years, we demonstrate the power of this approach. The presented algorithm identifies quasars with a completeness and purity above 90% at all redshifts. Even for Pan-STARRS 1 mock data of only 6 epochs over 3 years, variability is still an encouragingly efficient quasar classifier. Data on intrinsic quasar variability enable a wide range of astrophysical science. We quantify the color variability, confirming and greatly fleshing out previous claims, that quasars become bluer as they brighten. We find a strong redshift dependence of this blueing, which we can attribute to emission lines contributing to the SDSS bands at di fferent redshifts. We find that the color variations of single quasars are much more pronounced than the ranges in color seen in time-averaged ensembles of quasars. This indicates, that the observed color variations cannot be explained by changes in the mean steady state AGN accretion rate, but must arise from accretion disk ‘hotspots’ or similar phenomena. In the second, distinct part of the thesis, we present the first large sample of morphologically selected galaxy mergers with three-dimensional spectroscopy at z~1.5. With individual masses and star formation rates derived from multi-band photometry, we created emission line maps from the slitless grism spectroscopy of 3D-HST as proxy for star formation maps, providing a comprehensive empirical picture of where star formation takes place in galaxy mergers at the epoch, where the cosmic star formation and merger rates peaked. We find that a broad range of star formation morphologies occur at all redshifts, irrespective of star formation rate and total stellar mass, in these mergers. An initial illustrative comparison to a set of cosmological simulations shows, that simulated mergers with similar mass and gas content show star formation in both merger components far more often than for the observed 3D-HST mergers. This suggests that mergers at z~1.5 most commonly happen between galaxies of distinctly di erent gas fractions.

Translation of abstract (German)

Das Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien durch die kosmischen Epochen ist seit Jahrzehnten ein zentraler Fokus der Astrophysik: Wie führte das Wechselspiel zwischen der Strukturentstehung der dunklen Materie, Sternentstehung, Galaxienverschmelzung und aktive Galaxiekerne (AGN) zu den beobachteten Eigenschaften der Galaxien bei unterschiedlichen Rotverschiebungen? Diese Dissertation präsentiert neue Beobachtungsherangehensweisen an zwei Aspekte dieses Problems: Das Aunden und Untersuchen von AGN durch deren Variabilität und die Erstellung der ersten systematischen Untersuchung von Galaxienverschmelzungen bei z > 1 durch dreidimensionale Spektroskopie. Zuerst präsentieren wir eine neue und einfache Technik um große, komplette, und reine Stichproben an Quasaren durch deren intrinsische Variabilität zu bestimmen. Wir parametrisieren die Strukturfunktion deren Einzelbandlichtkurven durch ein Potenzgesetz um Quasare von anderen variablen und nicht-variablen Quellen zu unterscheiden. Mit Hilfe von Multi-Epochen-Beobachtungen des SDSS Stripe 82, welche ~60 Epochen über 8 Jahre umfassen, können wir die Ezient dieser Suchweise zeigen. Der vorgelegte Algorithmus identifiziert Quasare mit einer Vollständigkeit und Reinheit äber 90% bei allen Rotverschiebungen. Sogar für simulierten daten für den Pan-STARRS 1 Survey, mit nur 6 Epochen über 3 Jahre, ist die Variabilität ein ermutigend ezienter Klassifikator für Quasare. Daten zur intrinsischen Variabilität der Quasare ermöglichen einen weiten Bereich von astrophysikalischer Anwendungen. Wir quantifizieren die Farb-Variabilität und bestätigen und untermauern unsere vorherigen Hinweise, daß Quasare mit zunehmender Helligkeit blauer werden. Wir finden eine starke Rotverschiebungs-Abhängigkeit dieser Farb-Variabilitaet. Dies können wir Emissionslinien zuschreiben, die zu den SDDS Bändern bei verschiedenen Rotverschiebungen beitragen. Wir finden, daß die Farbvariationen von Einzelquasaren viel ausgeprägter sind als die Farbbereiche in zeitlich gemittelten Quasarensembles. Die zeigt, daß die beobachteten Farbvariationen nicht durch Äderungen in der stationären Durchnittsakkretionsrate der AGN erklärbar sind, sondern von ‘hotspots’ oder ähnlichen Phänomenen der Akkretionsscheiben herrühren müssen. In dem zweiten eigenständigen Teil der Dissertation präsentieren wir die erste große, morphologisch selektierte Auswahl von Galaxienverschmelzungen mit dreidimensionaler Spektroskopie bei z~1.5. Mit individuellen Massen und Sternentstehungsraten, die von Multiband-Photometrie abgeleitet werden, erzeugen wir Karten der Emissionslinien von der spalt-losen Grismspektroskopie von 3D-HST stellvertretend für Sternentstehungskarten. Diese stellen ein umfassendes, empirisches Bild bereit, das zeigt wo Sternentstehung in Galaxienverschmelzungen in dieser Epoche, in der kosmische Sternentstehung und Verschmelzungsraten einen Höhepunkt erreichen, passiert. Die Untersuchung hat gezeigt, dass ein weiter Bereich von Sternentstehungsmorphologien bei allen Rotverschiebungen passiert, unabhängig von der Sternentstehungsrate und totalen stellaren Masse in diesen Verschmelzungen. Ein illustrativer Anfangsvergleich von einem Satz von kosmischen Simulationen weist daruaf hin, daß Verschmelzungen bei z~1.5 am häufigsten zwischen Galaxien mit deutlich unterschiedlichen Gasanteilen passieren.