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Census of the Molecular Gas in Nearby Galaxies Selected from the CALIFA Survey
Johannes Arvid Puschnig
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Betreuer*in
Helmut Dannerbauer
DOI
10.25365/thesis.31322
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30497.44072.448559-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die vorliegende Arbeit basiert auf CALIFA, dem ``Calar Alto Legacy Integral Field Area survey''. Dabei
handelt es sich um eine Auswahl von 600 Galaxien mit Rotverschiebungen zwischen z=0.005 und z=0.03. Innerhalb
dieses Bereichs, ist das Sample statistisch repr\"asentativ. CALIFAs Aufgabe besteht darin,
Sternpopulationen, Alter, Metallizit\"aten, Gasverteilungen, Mechanismen zur Gasanregung, chemische Zusammensetzungen
sowie kinematische Eigenschaften der Sterne und des ionisierten Gases genauestens zu analysieren.
Eine Schl\"usselkomponente zum Verst\"andnis der Sternentstehung
entzog sich bisher allerdings der Untersuchung: das kalte, molekulare Gas -- Treibstoff der Sternentstehung.
Das ist Gegenstand dieser Arbeit, welche als vorbereitende Studie dient, um in Zukunft
interferometrische Karten mit ALMA, PdBI und CARMA zu gewinnen. Ziel
ist dabei, dass die r\"aumliche Aufl\"osung von $2^{\prime\prime}$ von CALIFAs optischen Integralfeldspektrographen (IFS),
entsprechend 200--760\,pc, auch im $submm$ Bereich erreicht wird.
Im Rahmen dieser Arbeit, wurde eine ausf\"uhrliche Recherche verf\"ugbarer Datenarchive durchgef\"uhrt und es
konnte festgestellt werden, dass f\"ur 159 Galaxien aus CALIFAs $mothersample$ (bestehend aus 939 Galaxien) bereits Beobachtungsdaten
und Analysen publiziert wurden.
Weiters konnten Infrarot-Daten, aufgenommen mit dem IRAS und WISE Satelliten f\"ur 497 beziehungsweise 924 Galaxien, aus
Archiven entnommen werden. Die Datens\"atze wurden zusammengef\"uhrt, sodass letztendlich f\"ur \textit{alle}
Galaxien des CALIFA $mothersamples$, Sternentstehungsraten abgeleitet werden konnten.
Dar\"uberhinaus wurden zwei verschiedenen Quellen (Springob et al. 2005 und HYPERLEDA) Beobachtungen des atomaren Wasserstoffs
entnommen, um atomare Gasmassen f\"ur zumindest 2/3 des CALIFA Samples ableiten zu k\"onnen.
$CO$ Daten aus mehr als hundert unterschiedlichen Publikationen und Katalogen wurden homogenisiert, um daraus die
gesamte Masse der in den Galaxien befindlichen Molek\"ulwolken zu berechnen. Dies geschah unter Ber\"ucksichtigung einer aufw\"andigen $Apertur-Korrektur$.
Zus\"atzlich war es m\"oglich f\"ur 26 Galaxien, f\"ur welche S\'anchez et al. (2013) Metallizit\"aten
ver\"offentlichten, den CO Konversionsfaktor, $X_{CO}$, abzusch\"atzen, um f\"ur jene Galaxien, ebenfalls eine
\textit{metallizit\"ats-abh\"angige} molekulare Masse bestimmen zu k\"onnen.
Alle erw\"ahnten Werte wurden in einer MySQL Datenbank zusammengefasst und der CALIFA-Kollaboration
\"uber ein Web-Interface zur Verf\"ugung gestellt.
F\"ur eine sp\"atere, interferometrische Analyse, wurde ein Sub-Sample von 65 Galaxien definiert.
Die Galaxienauswahl geschah dabei mit einem eigens programmierten Algorithmus basierend auf den
folgenden Parametern: stellare Masse, Sternentstehungsrate und Morphologie. Weiters wurden Beobachtungen
an verschiedenen Sub-Millimeter Teleskopen beantragt, darunter: APEX, IRAM und PdBI.
In der vorliegenden Arbeit, werden alle Methoden und Berechnungen beschrieben und diskutiert, wie etwa
die Kennicutt-Schmidt Beziehung, Sternentstehungs-Effizienzen
oder Zeitskalen der Gas-Ersch\"opfung f\"ur molekulare und gesamte galaktische Gasreseven.
Daraus konnten vor allem drei Schl\"usse gezogen werden: 1) Die galaktische Sternentstehungsrate steht in linearer
Beziehung zur molekularen Masse, sogar wenn das meiste Gas in atomarer Form vorliegt. 2) Es gibt ein
Gas-Dichte-Limit, welches unabh\"angig von der beobachteten Skala besteht und mit dem \"Ubergang vom atomaren in
den molekularen Zustand des Gases einhergeht. 3) In erster N\"aherung ist das Verh\"altnis der
Sternentstehungsrate zur molekularen Masse in normalen Spiralgalaxien gleichbleibend.
Diese Ergebnisse wurden aus unaufgel\"osten Daten gewonnen, was also vergleichbar ist mit
Beobachtungen von Galaxien im fr\"uhen Universum und somit in Zunkunft hilfreich sein wird, wenn Daten
hochrotverschobener Galaxien interpretiert werden sollen.
Neben, dieser globalen Analyse, wurde ein einzelnes Objekt im Detail studiert, NGC2623. Dabei handelt es sich
um einen $merger$, der sich zu einer elliptischen Galaxie entwickeln wird. Hervorzuheben ist dabei
die Entdeckung eines molekularen Gasklumpens und die Ableitung seiner Kinematik. Die Beobachtung
best\"atigt das Modell ausstr\"omenden, heissen Gases, bei gleichzeitigem Einfall von kaltem,
molekularem Gas.
Abstract
(Englisch)
The presented master thesis is based on the statistically representative galaxy sample of CALIFA,
the ``Calar Alto Legacy Integral Field Area survey'' consisting of 600 local galaxies with redshifts ranging from z=0.005 to z=0.03.
The CALIFA survey has been designed to obtain maps of stellar populations, ages, metallicities, ionized gas distributions,
gas excitation mechanisms, chemical abundances as well as kinematic properties from stellar and ionized gas components.
However, a key piece for the complete understanding and interpretation of the nature and properties of the star formation in the investigated
sample is missing: the cold molecular gas reservoir, the fuel for star formation. This is
subject to this work which is a preliminary study of the ultimate goal of obtaining interferometric CO maps with ALMA,
PdBI and CARMA with matching spatial resolution of the optical IFU data of $2^{\prime\prime}$ (corresponding to a physical scale of
200--760\,pc) to investigate molecular gas properties of local galaxies on a statistical basis.
Within this thesis, an extended archival search on CO detections and non-detections of CALIFA galaxies was fulfilled and
for 159 galaxies out of CALIFA's mothersample (consisting of 939 targets), CO data was found.
Infrared data from the IRAS and WISE satellites are available for 497 and 924 galaxies, respectively. These datasets were compiled in order to derive star formation rates for
\textit{all} galaxies of the mothersample. 21\,cm magnitudes were taken from two different sources (Springob et al. 2005 and HYPERLEDA) in order to calculate
atomic gas masses for 2/3 of the CALIFA sample. All previously published data was homogenized and molecular masses were derived by
means of a sophisticated CO aperture correction. Additionally, for 26 galaxies for which metallicities were recently published
by S\'anchez et al. (2013), an empirical relation was used for a CO conversion factor derivation and a subsequent metallicity-dependent
molecular gas mass calculation.
Furthermore, all mentioned data was organized in a MySQL database,
which was made accessible through a web-interface to the CALIFA collaboration.
A physically motivated subsample of 65 galaxies was defined for future interferometric investigation. For that purpose,
an algorithm was developed which assures that the found subsample is as homogeneous as possible in the constraining
parameters of stellar mass, star formation rate and morphology. Based on that subsample, observations at several
$submm$ facilities such as APEX, IRAM and PdBI were proposed.
All used methods and calculations are described and discussed. The Kennicutt-Schmidt relation for CALIFA galaxies was
established and analyzed. Star formation efficiencies and gas depletion times based on the molecular and the total gas
were derived and discussed. Finally, three conclusions could be drawn. First, the SFR scales nearly
linearly with $H_2$, even where most gas is atomic. Second, the star formation threshold
is \textit{independent on the scale} and coincides with an atomic-to-molecular transition. And finally, to first order, the SFR/MH2
ratio is fixed in ``normal'' spiral galaxies. These findings were exhibited from \textit{integrated}, hence \textit{averaged} quantities.
Thus, to first order, even from integrated values, basic properties of the ISM can be derived which can be an asset for high-redshift investigations.
Beside that global perspective of star formation, a comparison between the ionized and the molecular gas in the
merger pair NGC2623 was performed. Based on CALIFA's IFU data and archival SMA data, it was possible to unveil
a kinematic feature confirming the prospect that during a major merger event, hot gas is most likely moving outwards,
whereas cold, molecular gas streams inwards into the central region.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Extragalactic Galaxies Star Formation ISM molecular Gas CO
Schlagwörter
(Deutsch)
Extragalaktik Galaxien Sternentstehung ISM molekulares Gas CO
Autor*innen
Johannes Arvid Puschnig
Haupttitel (Englisch)
Census of the Molecular Gas in Nearby Galaxies Selected from the CALIFA Survey
Paralleltitel (Deutsch)
Studie des Molekularen Gasgehalts Benachbarter Galaxien des CALIFA Surveys
Paralleltitel (Englisch)
Census of the Molecular Gas in Nearby Galaxies Selected from the CALIFA Survey
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
III, 177 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Helmut Dannerbauer
AC Nummer
AC11441502
Utheses ID
27853
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |