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Probing the cold phase of the interstellar medium and star formation in nearby galaxies

Tomičić, Neven

German Title: Untersuchung der kalten Phase des interstellaren Mediums und der Sternentstehung in nahe gelegenen Galaxien

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Abstract

Properly measuring the spatial distribution of the star formation rate (SFR) in galaxies helps us to understand the driving forces for the star formation in galaxies, effects on their interstellar media (ISM), and their evolution. However, this is hindered by the uncertainties in estimating SFRs and calibrating the SFR prescriptions. These uncertainties are caused by not properly measuring the attenuation of light, probing large spatial scales, or averaging over large sample of galaxies. Additionally, the physical factors that set the efficiency whith which galaxies convert gas into stars (star formation efficiency; SFE), and their role in galactic evolution, are not yet fully understood. Variations in the SFE are difficult to disentangle from uncertainties of estimated SFRs. The main goal of this thesis is to use optical integral field unit (IFU) observations of nearby galaxies, in order to probe the cold phase of their ISM at sub-kpc scales. We aim to measure the attenuation, thus to properly estimate the SFRs and calibrate the SFR prescriptions. We also estimate variations of SFE across the disk of an interacting galaxy. Using IFU observations of the outskirts of the Andromeda galaxy (M31) at sub-kpc scales (from 10 pc to kpc), we derive the Balmer line attenuation. By comparing attenuation with the dust mass surface density, we derive the 3-dimensional spatial distribution of dust and ionized gas in M31. Our results indicate that the vertical dust/gas distribution from the central areas of nearby galaxies differs from the outskirts of M31. From this evidence, we hypothesize that the vertical dust/gas distribution in galactic disks varies as a function of the galactocentric distance. Following that, we use extinction corrected Balmer line emission as a reference SFR tracer in a combination with ultraviolet and near-infrared images, to calibrate hybrid SFR prescriptions. We find that the hybrid SFR prescriptions do not change with spatial scale or with the subtraction of a diffuse component. However, our SFR prescriptions observed in M31 differ from the prescriptions in the literature. This indicates that the SFR prescriptions are not universal and that they may vary with the inclination and the galactocentric radius, due to varying dust/gas distributions. Our IFU observations of the interacting galaxy NGC 2276 are used to investigate how the early phase of galactic interaction affects the ISM, and SFE across its disk. Although NGC 2276 shows a significant asymmetrically elevated SFR surface density, and asymmetric stellar distribution, it does not show an unusual gas phase metallicity gradient or shock ionization. On the other hand, we probed the SFE at sub-kpc scales (0.5 kpc) across NGC 2276's disk to trace the origin of its elevated and asymmetric SFR and found more than two orders of magnitude variation in SFE. This is significantly larger than what is seen in nearby galaxies. We speculate that this is caused by both tidal forces exerted from a neighboring galaxy and ram pressure affecting NGC 2276.

Translation of abstract (German)

Die korrekte Messung der raumlichen Verteilung der Sternentstehungsrate (engl. star formation rate, SFR) in Galaxien erlaubt es uns die treibenden Krafte für die Sternentstehungin Galaxien, ihre Auswirkungen auf ihre interstellaren Medien (ISM) und ihre Entwicklungzu verstehen. Dies wird jedoch durch die Unsicherheiten bei der Abschätzung der SFRs undder Kalibrierung der SFR-Umwandlung erschwert. Diese Unsersichterheiten resultieren auseiner unkorrekten Bestimmung der Abschwachung des Lichts, der Untersuchung von großenraumlichen Skalen, oder dem Mitteln über große Stichproben von Galaxien. Daruber hinaussind die physikalischen Faktoren, die die Effizienz bestimmen, mit der Galaxien Gas in Sterneumwandeln (Sternentstehungseffizienz; engl. star formation efficiency, SFE), und ihre Rolle inder galaktischen Evolution noch nicht vollständig verstanden. Abweichungen in der SFE sindschwer von den Unsicherheiten der geschätzten SFRs zu trennen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Analyse von Beobachtungsdaten von optischen abbildenden Spektrometern (IFU) von nahegelegenen Galaxien, um die kalte Phase ihrer ISMauf Sub-kpc-Skalen zu untersuchen. Wir messen die Abschwächung des Lichtes, um somit dieSFRs richtig abzuschätzen und die SFR-Umwandlungen zu kalibrieren. Zudem schätzen wirdie Variationen der SFE innerhalb der Scheibe einer interagierenden Galaxie ab.Unter Verwendung von IFU-Beobachtungen deraußeren Scheibe der Andromeda-Galaxie(M31) auf sub-kpc-Skalen (von 10 pc bis kpc) leiten wir die Balmer-Liniendämpfung ab. Durch den Vergleich der Dämpfung mit der Staubmassendichte wird die dreidimensionaleraumliche Verteilung von Staub und ionisiertem Gas in M31 ermittelt. Unsere Ergebnissezeigen, dass sich die vertikale Verteilung von Staub/Gas aus den zentralen Bereichen benachbarter Galaxien von den Randbereichen von M31 unterscheidet. Aufgrund dieser Evidenzstellen wir die Hypothese auf, dass die vertikale Staub-/Gasverteilung in galaktischen Scheibenin Abhängigkeit von der galaktozentrischen Entfernung variiert. Anschließend verwendenwir die extinktionskorrigierte Balmer-Linienemission als Referenz-SFR-Tracer in Kombina-tion mit Ultraviolett- und Nahinfrarotbildern, um hybride SFR-Umwandlungen zu kalibrieren. Wir finden, dass sich die hybriden SFR-Umwandlungen nicht mit der raumlichen Skala odermit der Subtraktion einer diffusen Komponente ändern. Unsere in M31 beobachteten SFR-Umwandlungen unterscheiden sich jedoch von den Umwandlungen in der Literatur. Diesdeutet darauf hin, dass die SFR-Umwandlungen nicht universell sind und aufgrund der un-terschiedlichen Staub-/Gasverteilungen mit der Neigung und dem galaktozentrischen Radiusvariieren konnen.Unsere IFU-Beobachtungen der interagierenden Galaxie NGC 2276 wurden genutzt, um zuuntersuchen, wie sich die fruhe Phase einer galaktischen Interaktion auf die Eigenschaften des ISM und der SFE in der gesamten Scheibe auswirkt. Obwohl NGC 2276 eine signifikant asymmetrisch erhöhte SFR-Oberflächendichte und asymmetrische Sternverteilung aufweist, zeigensich keine ungew öhnlichen Gasphasen-Metallizitätsgradienten oder Anzeichen fur Schockion-ii isation. Zudem untersuchten wir die SFE auf sub-kpc-Skalen (0,5 kpc) in der Scheibe vonNGC 2276, um den Ursprung ihrer erhohten und asymmetrischen SFR zu ermitteln, und fanden eine Variation von mehr als zwei in SFE. Dies ist deutlich größer als in nahegelegenenGalaxien. Wir spekulieren, dass dies sowohl durch von einer benachbarten Galaxie ausgeubte Gezeitenkr äfte, als auch durch den Staudruck der auf NGC 2276 einwirkt, verursacht wird.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schinnerer, Dr. Eva
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 15 May 2019
Date Deposited: 31 Jul 2019 14:46
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: galaxies, interstellar medium, star formation
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