Tesis doctoral de Javier Graciá Carpio
Las galaxias luminosas y ultraluminosas en el infrarrojo (lirgs y ulirgs) se caracterizan por sus enormes luminosidades infrarrojas (lir), mayores de 10^ 11 luminosidades solares (lsun), y representan los casos más extremos de formación estelar en el universo local. La mayor parte de las lirgs y ulirgs muestran signos de interacciones pasadas o presentas con otras galaxias espirales. Como consecuencia de la interacción, el gas molecular se concentra en el kiloparsec central de las galaxias produciendo intensos brotes de formación estelar y, posiblemente, la activación del disco de acreción de un agujero negro supermasivo, que se manifiesta en forma de agn. Pese a que las lirgs y las ulirgs se han estudiado en prácticamente todas las longitudes de onda, desde los rayos x al radiocontinuo, se desconoce aún cuál de estos dos fenómenos es el que contribuye en mayor medida a producir sus enormes luminosidades infrarrojas. Esto se debe por un lado al oscurecimiento creado por las grandes concentraciones de gas y polvo, que absorben la emisión óptica y ultravioleta y la reemiten térmicamente en el infrarrojo, y por otro, a la insuficiente resolución espacial alcanzable con los telescopios actuales a las longitudes de onda en las que las lirgs y ulirgs presentan su máximo de emisión (en el infrarrojo medio y lejano), a lo largo de todo este trabajo de tesis hemos estudiado con un gran nivel de detalle las propiedades del gas molecular en las lirgs y las ulirgs. Nuestra motivación principal era caracterizar a partir de dichas propiedades los procesos de formación estelar y actividad nuclear que tienen lugar en el interior de este tipo de galaxias y que son responsables de sus enormes luminosidades infrarrojas. Para ello hemos observado con los radiotelescopios milimétricos de iram varias muestras de galaxias infrarrojas en diferentes moléculas y transiciones. Hemos incorporado a nuestro estudio del gas molecular la información adicional procedente de otros rangos del espectro electromagnético y hemos comparado los resultados obtenidos con los publicados por otros autores en otras muestras de galaxias, como las galaxias espirales de menor luminosidad (lir < 10^11 sun), las galaxias seyfert, los pg qsos y las galaxias infrarrojas situadas a elevados desplazamientos al rojo. nuestro estudio supera en numerosos aspectos a otros trabajos publicados con anterioridad, hemos observado y analizado las propiedades del gas molecular trazado por la línea co (1-0) en la mayor muestra de ulirgs observada hasta la fecha en esa transición. Hemos separado y resuelto espacialmente la emisión del gas molecular del par de galaxias interactuantes que componen la ulirg iras 10190+1322, algo que sólo se había conseguido realizar hasta entonces en arp 220, la ulirg más próxima a la vía láctea. Hemos estudiado las propiedades físicas y químicas del gas molecular denso de una muestra de 17 galaxias infrarrojas, superando tanto en el número de lirgs y ulirgs observadas como en el número de transiciones consideradas a cualquier otro estudio publicado anteriormente. Hemos derivado por primera vez la ley de kennicutt-schmidt del gas molecular denso para una gran variedad de tipos de galaxias y de luminosidades infrarrojas. Por último, hemos detectado la emisión de las líneas hco+ (5-4), hnc (5-4) y cn (4-3) en la galaxia activa hiperluminosa en el infrarrojo apm 08279+5255 aumentando de dos a cinco el número total de moléculas detectadas a z> 3. enumeramos a continuación las conclusiones más importantes extraidas de este trabajo de tesis: – la presencia de grandes cantidades de gas molecular en las galaxias es una condición imprescindible para que el fenómeno ultraluminoso en el inflarrojo tenga lugar. En promedio las ulirgs tienen unas tres veces la masa de gas molecular de la vía láctea. Esto no quiere decir, sin embargo, que la masa total de gas molecular determine de manera automática la luminosidad infrarroja final de las lirgs y las ulirgs. A partir de nuestras observaciones de co hemos comprobado que la correlación entre la luminosidad infrarroja y la masa de gas molecular es muy débil en este tipo de galaxias. Lir puede variar en más de un orden de magnitud entre galaxias con una misma luminosidad de la línea c0(1-0), independientemente de su tipo de actividad nuclear o de su fase de interacción. – gran parte de la dispersión observada entre lir y lco (1-0) tiene su origen en las elevadas opacidades del medio interestelar características de las galaxias infrarrojas. Hemos interpretado la disminución del cociente de luminosidades lir/lco(1-0) con la anchura a media altura de la línea co(1-0) como un efecto producido por la absorción del disco de gas molecular sobre la emisión en el infrarrojo de las galaxias. El hecho de que este efecto sea importante en las galaxias seyfert 1, seyfert 2 y liner, y no lo sea en las galaxias hil, nos ha llevado a concluir que la distribución relativa de las fuentes de emisión infrarroja y el gas molecular difiere en estos dos grupos de galaxias. En las primeras la emisión en el infrarrojo se originaria principalmente en el centro de un disco o toroide de gas molecular trazado por la línea co(1-0), mientras que en las segundas las fuentes de emisión infrarroja estarían distribuidas de manera uniforme en el disco de gas molecular. Las galaxias infrarrojas de tipo hll estarían pues dominadas por brotes de formación estelar recientes, mientras que las galaxias seyfert 1, seyfert 2 y liner deberían su emisión infrarroja a un agn oscurecido o a un starburst circunnuclear. – la concentración y densidad del gas molecular determina en gran medida la luminosidad infrarroja total de las galaxias. Una prueba de ello es que el gas molecular se encuentra altamente concentrado en el kiloparsec central de las lirgs y las ulirgs, tal y como demuestran las observaciones de co de elevada resolución angular, de las cuales nuestras observaciones en iras 10190+1322 son un claro ejemplo. Otra prueba de ello es la estrecha correlación observada a lo largo de más de cuatro órdenes de magnitud entre la luminosidad infrarroja y la luminosidad de la línea hcn(1-0), y el aumento con lir de los cocientes de luminosidades lhcn(l-0) /lco (1-0), lhco+(1-0)/lco(1-0), lhco+(3-2)/lco(1-0) y lhco+(3-2)/lhco+( 1-0) los cuales se suelen interpretar como una medida de la densidad promedio del gas molecular en las galaxias. – la ley de kennicutt-schmidt es la mejor forma de representar la dependencia entre la densidad del gas molecular y la tasa de formación estelar. Hemos encontrado que a partir de la densidad superficial del gas molecular denso, trazado por la emisión de la línea hcn(1-0), es posible deducir la densidad superficial de formación estelar de una galaxia, con un error menor de un factor 3, a lo largo de más de cuatro órdenes de magnitud en densidad. En contra de los que se pensaba anteriormente, la pendiente de la ley de kennicutt-schmidt del gas molecular denso aumenta a partir de lir – 10^11 lsun. Las galaxias espirales con lir < 10^11 lsun siguen una ley de kennicutt-schmidt con una pendiente ligeramente menor de la unidad, frente a las lirgs y las ulirgs, los pg qsos y las galaxias infrarrojas situadas a elevados desplazamientos al rojo que obedecen una ley con una pendiente significativamente mayor que la unidad. Como consecuencia de esto, la eficiencia de formación estelar del gas molecular denso es mayor en estas galaxias que en las galaxias espirales. -la variación de la pendiente de la ley de kennicutt-schmidt del gas molecular denso se puede explicar de varias formas. Puede estar indicando un aumento de la densidad promedio del gas molecular a partir de lir -10^11 lsun, puede estar indicando una variación real de las leyes que regulan la formación estelar en las galaxias infrarrojas o puede estar reflejando la contribución de un agn oscurecido a la luminosidad en el infrarrojo lejano en las galaxias de mayor luminosidad. Por el momento, con la información disponible, no podemos concluir cuál de estos efectos es el que contribuye en mayor medida al cambio de pendiente observado. - un camino muy prometedor para diferenciar entre estos posibles escenarios es el estudio de la química del gas molecular en las galaxias infrarrojas. Hemos comprobado que el cociente de luminosidades lhcn(1-0)/lhco+(1-0) aumenta con la luminosidad infrarroja de las lirgs y las ulirgs. El origen principal de dicho aumento es una sobreabundancia de la molécula de hcn frente a la de hco+ que hace que el factor de conversión xhcn disminuya con lir, en lugar de permanecer constante, como se había venido suponiendo hasta ahora. Esta sobreabundancia de la molécula de hcn frente a la de hco+ puede estar asociada a una química de xdrs inducida por la radiación procedente de un agn oscurecido o a una química de hot-cores en torno a regiones de formación de estrellas masivas. Este resultado indica que el gas molecular denso en las galaxias infrarrojas está sometido a unas condiciones muy distintas de las que se suelen dar en las nubes moleculares de la vía láctea o en las galaxias espirales con lir < 10^11 lsun. - por último, hemos demostrado que con los radiotelescopios actuales es posible estudiar las propiedades físicas y químicas del gas molecular en las galaxias infrarrojas del universo joven, cuando éste contaba apenas con un décimo de su edad actual. Hemos estimado las abundancias de las moléculas de hcn, hco+ y hnc en la galaxia activa apm 08279+5255 (z = 3.91) suponiendo que la excitación de sus transiciones rotacionales es principalmente colisional. Las abundancias así estimadas son parecidas a las medidas en las galaxias infrarrojas del universo local, lo que podría estar indicando que los procesos que dominan la química del gas molecular en estas galaxias son similares, a pesar de sus diferencias en luminosidades infrarrojas y desplazamientos al rojo. Dadas las elevadas densidades críticas de las transiciones observadas y la luminosidad en el infrarrojo medio de apm 08279+5255, existe la posibilidad de que la excitación de sus líneas pueda estar afectada por el bombeo infrarrojo de las moléculas a un nivel vibracional superior. De confirmarse esta posibilidad, esto querría decir que las transiciones estudiadas no trazan de manera adecuada la masa de gas molecular denso de la galaxia. Para determinarla sería necesario observar las transiciones rotacionales de otras moléculas en las que los efectos de la excitación radiativa sean menos importantes.
Datos académicos de la tesis doctoral «El gas molecular en las galaxias luminosas y ultraluminosas en el infrarrojo«
- Título de la tesis: El gas molecular en las galaxias luminosas y ultraluminosas en el infrarrojo
- Autor: Javier Graciá Carpio
- Universidad: Autónoma de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 13/03/2009
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Pere Planesas Bigas
- Tribunal
- Presidente del tribunal: rosa Domínguez tenreiro
- Luis Colina robledo (vocal)
- linda Tacconi (vocal)
- Jesús Gómez gonzález (vocal)