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«Line excitation, metallicity, and dust extinction in massive starforming galaxies at high redshift Peter Buschkamp München 2012 The LUCIFER ...»

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The LUCIFER multi-object

spectroscopy unit

and

Line excitation, metallicity, and

dust extinction in massive starforming galaxies at high redshift

Peter Buschkamp

München 2012

The LUCIFER multi-object

spectroscopy unit

and

Line excitation, metallicity, and

dust extinction in massive starforming galaxies at high redshift

Dissertation

an der Fakultät für Physik

der Ludwig–Maximilians–Universität

München

vorgelegt von

Peter Buschkamp

aus Bielefeld

München, den 26.7.2012 Erstgutachter: Prof. Dr. Reinhard Genzel Zweitgutachter: Prof. Dr. Ralf Bender Tag der mündlichen Prüfung: 22. November 2012 Zusammenfassung Das frühe Universum bei einer Rotverschiebung z∼1–3 ist ein faszinierendes und herausforderndes Feld astrophysikalischer Forschung in Wissenschaft und Instrumentierung.

In dieses Weltalter fällt das Maximum der Sternentstehung, der Aktivität von major mergern (Verschmelzen von Galaxien ähnlicher Masse) und der Quasaraktivität. Die Epoche markiert aber auch einen wichtigen evolutionären Übergang, das beginnende Auftreten der Hubblesequenz der Galaxien, wie wir sie im heutigen Universum beobachten. Jedoch erscheinen –durch die riesigen Distanzen und die kosmologische Verringerung der Flächenhelligkeit– Galaxien bei hoher Rotverschiebung sehr lichtschwach und sehr klein.

Ihre routinemäßige Beobachtung ist erst seit einigen Jahren möglich, dank hocheffizienter Nahinfrarotspektrometer an Teleskopen der 8-10m Klasse. Damit eröffneten sich neue Wege in der Erforschung des frühen Universums, welche zu neuen Erkenntnissen über die treibenden Prozesse der Entstehung und Entwicklung von Galaxien führten.

Diese Dissertation erstrebt einen Beitrag zu beidem, mit einem Instrumentierungsprojekt und einer astrophysikalischen Studie.

In Teil 1 stellen wir unseren Beitrag für das neuartige voll-kryogene Multi-Objekt Nahinfrarot-Spektrometer “LUCIFER” vor, die Multi-Objekt-Einheit “MOS” zur Manipulation der Spektrographenmasken. Ziel dieses Teils der Arbeit war die Fertigstellung und Inbetriebnahme der MOS-Funktions- und Kontroll- Hard- und Software. Mehrere signifikante Hardwareänderungen infolge dieser Arbeit waren der Schlüssel für eine erfolgreiche Inbetriebnahme der Einheit. Ebenso wurden im Zuge dieser Arbeit komplexe situationsadaptive Kontroll- und Bewegungssequenzen für den Betrieb der MOS entwickelt. Um die Leistung des Spektrographen im K und H+K Band zu erweitern, wurden von uns zwei zusätzliche Reflexionsgitter hoher Effizienz gerechnet und getestet. Mit der MOS wurden seit ihrer Inbetriebnahme vor 2 Jahren mittlerweile mehrere tausend Maskenwechsel während Beobachtungen durchgeführt. Allerdings führten einige wenige Funktionsfehler auch zu Reparaturen vor Ort, sowie Auf- und Umrüstungen. LUCIFER sticht durch seine vielseitigen Betriebsmodi heraus und liegt mit seiner Systemtransmission und Leistung gleich auf mit anderen Instrumenten oder übertrifft diese. Die Leistungsfähigkeit wird teilweise eingeschränkt durch die Komplexität des Instruments, den Instrumentund Teleskop-Betriebsmodus sowie die häufigen Schlechtwetterperioden.

Teil 2 bildet eine detaillierte Studie der Anregung, Metallizität und Extinktion in massiven Galaxien mit Sternentstehung bei z∼2. Beobachtungen mit dem Integralfeldspektrometers SINFONI am Very Large Telescope ermöglichten eine vollständige zweidimensionale räumliche Auflösung der Galaxien bis herunter auf wenige Kiloparsec, während gleichzeitig die bei (Lang-)Spaltspektroskopie vorhandenen Probleme wie Lichtverlust am Spalt vermieden wurden. Unsere Analyse basiert auf Messungen der Emissionslinien Hα, Hβ, [NII] und [OIII] in unserem Hauptsample von 12 Galaxien, sowie Hα und [NII] in einem größeren Sample von 26 Galaxien.

Wir beobachten merkliche Unterschiede in der Morphologie in den verschiedenen Emis

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IZusammenfassung

sionslinien bei einigen Objekten, was auf räumliche Variationen der Anregungsmechanismen, der Elementhäufigkeiten und/oder der Extinktion hindeuten könnte. Vergleiche der Kinematik zeigen hingegen größtenteils Übereinstimmungen. Wir nutzen die Relationen [OIII]/Hβ und [NII]/Hα zur Analyse der Anregungsmechanismen. Unsere Galaxien zeigen Anregungsmechanismen dominiert von reiner Sternentstehung bis hin zu AGNDominanz. In vielen Fällen messen wir höhere Anregung im Vergleich zum Gros der Galaxien bei z∼0 in Übereinstimmung mit Studien anderer kleiner Sample bei z∼1–3. In einigen Fällen kann die höhere Anregung durch das Vorhandensein eines AGN erklärt werden. In anderen Fällen ohne Anzeichen für AGN ist die höhere Anregung vermutlich begründet durch unterschiedliche physikalische Bedingungen (Metallizität, Elektronendichte, Ionisationsparameter) und/oder das Vorhandensein von Schocks. Unsere Galaxien folgen einer ähnlichen Masse-Metallizitäts-Relation wie der in der Literatur bei z∼2 beschriebenen, zeigen aber Hinweise auf einen Trend erhöhter Metallizität für rötere Objekte mit höherem Staubanteil bei gleichen stellaren Massen. Die beobachteten Metallizitäten erscheinen konsistent mit der kürzlich vorgeschlagenen fundamentalen Metallizitätsrelation (FMR), die M∗, SFR und Metallizität verbindet. Unsere Objekte zeigen ausschließlich flache, negative Metallizitätsgradienten jedoch keine An-zeichen für positive Gradienten wie in anderen Arbeiten bei z∼3 bzw. z∼1 berichtet. Wir finden Hinweise für eine erhöhte Extinktion im Bereich von Sternentstehungsgebieten im Vergleich zum Gros der Sterne, die das UV- und optische-Kontinuum (Ruhesystem) dominieren. Eine solche “differentielle Extinktion” wird in lokalen Starburst-Galaxien beobachtet und für z1 diskutiert. Unsere Fallstudie räumlich aufgelöster Extinktion zeigt klare räumliche Variationen mit einem Anstieg der Extinktion im Zentralbereich, wo die Metallizität erhöht und molekulares Gas konzentriert ist.





II Abstract The universe at redshift z∼1–3 is a fascinating and challenging field of astrophysical research – both in science and in instrumentation. The peak of star formation, major mergers, and quasar activity occurred at these times. These epochs further correspond to the emergence of the Hubble sequence of galaxies as observed in the present-day universe. However, the large distances and cosmological surface brightness dimming make high-redshift galaxies appear both very faint and very small. These systems became routinely accessible to detailed spectrally- and spatially-resolved studies only recently with the advent of high-throughput near-IR spectrographs at 8-10m class telescopes. These developments have opened exciting avenues providing new and crucial insights into the processes driving their formation and early evolution. This thesis aims to contribute to both; with an instrumentation project and an astrophysical study.

In part one, we present our contribution to the the novel full cryogenic near-infrared imager and multi-object spectrograph “LUCIFER”, the multi-object spectroscopy “MOS” unit that handles the spectroscopic multi-object slit-masks. The aim of this thesis work was to finalize and commission the MOS’s function- and control-hard- and software. We have introduced several mechanical hardware changes during this work, which were key for the unit’s successful completion. We have also developed and put forward the complex situation-adaptive control- and motion-sequences needed for operating the unit.

To enhance the spectrograph’s K- and H+K-band performance, we have successfully designed and tested two additional high efficiency reflection gratings for LUCIFER. The MOS is meanwhile successfully in use, having served several thousand mask exchanges, albeit a small number of errors that required extended debugging and led to upgrades to the unit. LUCIFER stands out in its versatility; its system efficiency and general performance compares or exceeds other competing NIR multi object spectrometer to date.

Observing efficiency gets however limited by the instrument’s complexity, by the current modes of instrument- and facility-operation, and by the frequent periods of bad weather on site.

In part 2, we present a detailed investigation of line excitation, metallicity, and extinction in massive z∼2 star-forming galaxies. Observations with the integral-field spectrometer SINFONI at the Very Large Telescope, allowed full two dimensional spatially-resolved mapping, down to a few kiloparsecs, without the limitations inherent to slit (single- or multi-object) spectroscopy such as slit-losses. The analysis is based on measurements of key rest-frame optical nebular emission lines, including all of Hα, Hβ, [NII], and [OIII] for the main sample of 12 sources, and Hα and [NII] for a larger set of 26 objects.

We find noticeable differences in morphology between different emission lines in several cases, suggesting spatial variations in line excitation mechanism, nebular oxygen abundances and/or extinction. The kinematics observed for the different lines, however, are generally very similar. Based on the diagnostic [NII]/Hα and [OIII]/Hβ line ratios,

IIIAbstract

our main sample galaxies span a range of excitation, from purely-star-forming to AGNdominated objects. Many of the objects exhibit slightly higher excitation than the bulk of z∼0 star-forming galaxies, similar to results reported for other small samples at z∼1–3.

In some cases, we find the offset could be due to the presence of a central AGN. In other cases with no sign of an AGN, the offset could be due to different nebular conditions (metallicity, ionization parameter, electron density) and/or contributions by shocks. Our sample follows a similar mass-metallicity relation as reported previously at z∼2. Our analysis reveals in addition trends of higher metallicities for redder, dustier systems, at a given stellar mass. The metallicities appear to be broadly consistent with the fundamental metallicity relation (FMR) relating M∗, SFR, and metallicity that has been recently proposed. Our objects show shallow, negative metallicity gradients but no positive gradients, as has been reported for some z∼1 and z∼3 galaxies. We find evidence for extra attenuation towards HII regions with respect to the bulk of stars, stars that dominate the rest-UV to optical continuum light. This “differential extinction” is seen in local starburst galaxies but has been debated at z1. Our case study of spatially-resolved Hα /Hβ measurements reveals spatial variations with an increase in nebular extinction towards the central regions where the metallicity is enhanced and molecular gas concentrated.

IV Contents

–  –  –

II. Massive star-forming galaxies at high-redshift: a study of spectrallyand spatially-resolved line excitation, metallicity and extinction 113

–  –  –

B.1. D3a-15504: [NII]/Hα in aperture cuts & annuli profiles............. 226 B.2. D3a-6004: [NII]/Hα in aperture cuts & annuli profiles.............. 227 B.3. D3a-6397: [NII]/Hα in aperture cuts & annuli profiles.............. 228 B.4. ZC782941: [NII]/Hα in aperture cuts & annuli profiles.............. 229 B.5. ZC782941-AO: [NII]/Hα in aperture cuts & annuli profiles........... 230 B.6. BX610: [NII]/Hα in aperture cuts & annuli profiles................ 231 B.7. ID7: [NII]/Hα in aperture cuts & annuli profiles................. 232

–  –  –

6.1. Strongest nebular rest-frame optical emission lines............... 121

6.2. Commonly used strong line diagnostics...................... 121

–  –  –

8.1. Overview over the data quality, derived data products and quantities I.... 153

8.2. Overview over the data quality, derived data products and quantities II.... 154

–  –  –

Chapter 1.

Introduction LUCIFER, the Large Binocular Telescope Spectroscopic Utility with Camera and Integral Field Unit for Extragalactic Research, is the new fully cryogenic near-infrared multi object spectrograph and imager at the Large Binocular Telescope, located in an altitude of 3221m on top of Mt. Graham, Arizona, USA.

The MOS unit is LUCIFER’s unique full cryogenic mask exchange unit for storing and loading slitmasks. It is a joint development by the Max Planck Institute for extraterrestrial Physics for all hardware parts and the Astronomical Institute of the University of Bochum for the control software.

1.1. Scope of this thesis in the LUCIFER project

Most of the MOS unit’s basic development of mechanical and electrical parts had been completed by the time the thesis work started. Some of the sub units and components had been fabricated and assembled. Basic function- and proof-of-concept tests were ongoing in ambient and starting in cryogenic conditions. Most of the components, however, were not fully assembled, and some were still lacking parts. For some components, it was not even clear if the intended functionality could be implemented with the designed parts simply because of the novelty and unique functionality of this instrument.

Scope of the instrumentation work of this thesis was to finalize the unit, setup and test it, develop operation scenarios and the corresponding motion sequences, and finally integrate and commission the unit inside the instrument at the telescope. In short, turning it into a working piece of equipment, making it available to the scientific community.

Multi-object spectroscopy opens new observational possibilities and scientific opportunities for near infrared astronomy. Early science case discussions quickly showed the need The IFU got replaced by the MOS but is still in the name.

As of 2011 LUCIFER is named LUCI following a court settlement in a law suit between the LBT and various Mt. Graham forrest reservation interest groups.

1.2. Summary of the contribution to the project for additional spectroscopic gratings in the LUCIFER instrument. Their development was also a part of this thesis.



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