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The Molecular ISM of Quasar Host Galaxies in the Early Universe

Riechers, Dominik Alexander

German Title: Das Molekulare Interstellare Medium in Quasar-Muttergalaxien im frühen Universum

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Abstract

Detailed studies of the molecular gas phase in the host galaxies of the highest redshift quasars are important for our understanding of the formation and evolution of quasars and their bulges, since the molecular gas is the prerequisite material for star formation. This investigation capitalizes on state-of-the-art observations in the radio/millimeter wavelength regime to study the key properties of the molecular interstellar medium in some of the most distant, gas-rich quasars. To search for evolutionary, luminosity-dependent, or galaxy type-dependent trends in the conditions under which star formation takes place, results are interpreted in the context of studies of nearby galaxies and high redshift galaxy populations. From the first high-resolution CO(J=1→0) spectroscopy of high-z quasars, the total molecular gas mass of their host galaxies is determined. By more than doubling the number of molecules known in the distant universe [from 2 (CO/HCN) to 5], it is found that multiple molecular probes of dense gas predict similar star formation rates within the dense molecular regions of high redshift galaxies, out to the first 2Gyr after the Big Bang. Together with other studies, these results indicate an increase in star formation efficiency toward the most luminous distant gas-rich systems, possibly due to a higher median gas density. In a connected, time consuming interferometric study, the host galaxies of three z>4 quasars are resolved, for the first time, both spatially (at up to 0.15", or 1.0 kpc) and in velocity space, revealing that the molecular reservoirs show a wealth of morphologies. The derived dynamical masses are large enough to account for both the central supermassive black holes and the full reservoirs of molecular gas, but do not leave much room for a stellar bulge as predicted by the local relation between black hole mass and bulge velocity dispersion. Quasar host galaxies are thus prime laboratories to study the coevolution of supermassive black holes and the extreme starbursts hosted by the molecular environments at early cosmic epochs. The observations presented here thus provide an important foundation for future studies of normal galaxies at high redshifts with the Atacama Large Millimeter Array (ALMA).

Translation of abstract (German)

Molekulares Gas ist der Treibstoff für Sternentstehung, weshalb es von großer Wichtigkeit für unser Bild von der Entstehung und Entwicklungsgeschichte von Quasaren ist, die molekulare Komponente in den Muttergalaxien der am weitesten entfernten Objekte im Detail zu untersuchen. In dieser Doktorarbeit werden die technologischen Neuerungen der größten Radio- und Millimeterteleskope genutzt um einige der wichtigsten Eigenschaften des molekularen interstellaren Mediums in hoch rotverschobenen Quasaren genauer zu studieren, und in einem evolutionären, galaxientyp- und leuchtkraftabhängigen Kontext der Sternentstehung zu begutachten. Die CO(J=1→0) Linie wurde zum ersten Mal erfolgreich in hoch rotverschobenen Galaxien hochauflösend spektroskopiert, um die Gesamtmasse des molekularen Gases zu bestimmen. Eine Erweiterung dieser Studie auf andere molekulare Indikatoren führt zu mehr als einer Verdopplung der im frühen Universum bekannten Moleküle [5 statt bisher 2 (CO/HCN)]. Alle Indikatoren sagen miteinander konsistente Sternentstehungsraten in hoch rotverschobenen Quasaren voraus, und keines der Moleküle scheint ein klar bevorzugter Indikator zu sein. Im Zusammenwirken mit zwei anderen Studien ergibt sich der Befund daß Sternentstehung in weit entfernten, sehr gasreichen Galaxien mit einer höheren Effizienz vonstatten geht als in anderen Galaxien, was vermutlich mit einer höheren mittleren Dichte des Gases in diesen Systemen zusammenhängt. In einer auf diesen Ergebnissen aufbauenden, zeitaufwendigen Interferometerstudie ist es ausserdem zum ersten Mal gelungen die Muttergalaxien von Quasaren bei z>4 sowohl räumlich (auf Skalen von bis zu 0.15", oder 1.0 kpc) als auch dynamisch (in Geschwindigkeitsintervallen entlang einer molekularen Emissionslinie) aufzulösen. Die Karten zeigen daß die molekularen Reservoirs in diesen Galaxien reichhaltige Strukturen aufweisen. Die daraus bestimmten dynamischen Massen sind in Einklang mit der Summe der Massen des zentralen schwarzen Lochs und der Gas- und Staubreservoirs, allerdings nicht groß genug um einen stellaren Bulge von der Masse zu enthalten, wie sie von der Beziehung zwischen der Masse des schwarzen Loches und der Geschwindigkeitsdispersion des Bulges in Galaxien im lokalen Universum vorausgesagt wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, daß diese weit entfernten Galaxien erstklassige Laboratorien für Studien der Entstehung und Entwicklung supermassiver schwarzer Löcher und extremer Starbursts im frühen Universum sind. Die hier gezeigten Beobachtungen bilden die Grundlage für zukünftige Studien normaler Galaxien bei hohen Rotverschiebungen mit dem Atacama Large submillimeter/Millimeter Array (ALMA).

Item Type: Dissertation
Supervisor: Rix, Prof. Hans-Walter
Date of thesis defense: 7 November 2007
Date Deposited: 21 Nov 2007 13:14
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Quasar, Starburst-Galaxie
Uncontrolled Keywords: Kosmologie: Beobachtungen , Galaxien: Aktiv , Galaxien: Entstehung , Galaxien: Hohe Rotverschiebung , Galaxien: Interstellares MediumCosmology: Observations , Galaxies: Active , Galaxies: Formation , Galaxies: High-Redshift , Galaxies: Interstellar Medium , Galaxies: Starburst
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