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Starbursting Dwarf Galaxies at z > 1 : a near-infrared spectroscopic study

Maseda, Michael Vincent

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Abstract

The episodic star-formation histories of dwarf galaxies with present-day stellar masses 10^9 solar masses present a challenge to our current understanding of galaxy formation and evolution. Hydrodynamical simulations predict that star formation in these galaxies was very burst-like in the past, with feedback in the form of supernovae and winds that heat and deplete the central cold gas reservoirs. Repeated starburst events have been cited as the driving force behind intense feedback that can change the central dark matter profile, potentially addressing one of the principal challenges to the standard Cold Dark Matter cosmological model. Until recently, dwarf galaxies have only been studied in the local universe. Here we use a combination of multiwavelength photometry and near-IR grism spectroscopy to identify an abundant population of extreme emission line galaxies (EELGs) at z > 1. Sophisticated modeling of their spectral energy distributions reveals that EELGs, selected only based on their large equivalent widths, have low stellar masses. Our high-resolution follow-up spectroscopy in the near-IR shows that the emission lines are very narrow, implying low total dynamical masses. Emission line ratios are consistent with low gas-phase metallicities and also demonstrate that the strong emission comes from hot young stars. Therefore, these objects show all the signatures of dwarf galaxies at z > 1. By developing a novel method to detect strong emission line sources in grism spectroscopic data, we trace the evolution in the number density of EELGs with cosmic time, observing that they are more than an order of magnitude more common at z = 2 than locally. This observationally supports the importance of bursty star-formation in low-mass galaxies at z > 1, implying that most stars in today’s dwarf galaxies formed in a small number of these early bursts. Taken together, these results constitute the first comprehensive observational study of dwarf galaxies at high redshift.

Translation of abstract (German)

Die episodische Sternentstehungshistorie von Zwerggalaxien mit heutigen stellaren Massen 10^9 Sonnenmassen stellen eine Herausforderung für unser gegenwärtiges Verständnis der Galaxienentstehung und -entwicklung dar. Hydrodynamischen Simulationen sagen voraus, dass die Sternentstehung in diesen Galaxien abrupt einsetzte und durch Rückkopplung, in Form von Supernovae und Sternwinden, die verbliebenen Vorräte kalten Gases aufheizen. Es wird vermutet, dass wiederholte Sternentstehungsepisoden durch intensive Rückkopplungsvorgänge die Dichteverteilung dunkler Materie im Zentrum der Galaxien verringern können. Dieser Mechanismus stellt eine potentielle Lösung eines der Hauptprobleme des Standarmodelles der Kosmologie dar. Zwerggalaxien wurden bislang nur im lokalen Universum untersucht. Wir verwenden hier eine Kombination aus Multiwellenlängenphotometrie und Nahinfrarotgitterprismaspektroskopie um die zahlreich vorhandenen Extremeemissionsliniengalaxien (hier genannt EELGs)mit z > 1 aufzuspüren. UmfangreicheModellierungen ihrer spektralen Energiedichten zeigen, dass EELGs, welche lediglich nach möglichst großer Äquivalentbreite selektiert wurden, eine geringe stellaren Masse aufweisen. Unsere nachfolgenden hochauflösenden Nahinfrarotspektroskopiebeobachtungen zeigen sehr schmale Emissionslinien auf, was auf geringe total dynamische Massen hindeutet. Die relativen Intensitäten der Emissionslinie sind konsistent mit niedrigen Gasphasenmetallizitäten und belegen, dass der Ursprung der starken Emission heiße junge Sterne sind. Diese Objekte weisen also alle Merkmale von Zwerggalaxien mit z > 1 auf. Mit Hilfe von einer neuartigen Methode zur Entdeckung starker Emissionslinie in gitterprismaspektroskopischen Daten bestimmen wir die Häufigkeit von EELGs als Funktion der kosmischen Rotverschiebung und stellen fest, dass diese bei z = 2 um mehr als eine Größenordung über dem lokalen Wert liegt. Dies unterstreicht dieWichtigkeit episodischer Sternentstehung in kleinen Galaxien bei z > 1 und impliziert so, dass die meisten Sterne in heutigen Zwerggalaxien in nurwenigen dieser frühen Sternentstehungsepisoden entstanden. In ihrer Gesamtheit stellt diese Arbeit die erste umfassende Beobachtungsstudie von Zwerggalaxien bei großen Rotverschiebungen dar.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Rix, Prof. Dr. Hans-Walter
Date of thesis defense: 8 July 2015
Date Deposited: 21 Jul 2015 13:05
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
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