Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11573
Title: GALACTIC COSMIC EVOLUTION AND IDENTIFICATION OF HIGH REDSHIFT OBJECTS
Authors: CALURA, FRANCESCO
Issue Date: 5-Apr-2004
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: 
La presente tesi ha come scopo lo studio dell'evoluzione di diverse "quantità cosmiche" dell'universo, fra cui la densità di luminosità del tasso di formazione stellare, del tasso di produzione degli elementi ed il tasso di esplosioni di Supernova. Alcune di queste quantità sono chiamate "densità" in quanto si studia la loro evoluzione per volume unitario di universo. Tutte queste quantità sono studiate per mezzo di modelli di evoluzione chimica e fotometrica di galassie di vari tipi morfologici, ovvero galassie ellittiche, spirali ed irregolari. I modelli di evoluzione chimica permettono di calcolare l'evoluzione dei tassi di produzione di vari elementi chimici, nonché delle loro abbondanze nel mezzo interstellare e nelle stelle. A partire dalla materia "processata" dalle stelle, cioè convertita in elementi chimici pesanti e restituita al mezzo interstellare per mezzo di venti stellari ed esplosioni di supernova, è possibile sviluppare un modello di arricchimento chimico dell'universo in ogni sua componente, ovvero il mezzo interstellare (ISM), le stelle ed il mezzo intergalattico (IG M). É inoltre possibile calcolare l'evoluzione temporale delle abbondanze di diverse specii chimiche, come C, O, N Fe e Zn. In questa tesi le abbondanze calcolate mediante i modelli di evoluzione chimica vengono confrontate con i valori osservativi: questo esercizio è in grado di fornire indicazioni fondamentali sull'evoluzione delle galassie e sulla produzione degli elementi sia nell'universo locale che nell'universo primordiale. La radiazione stellare viene studiata per mezzo di modelli di sintesi di popolazione stellare (o spettrofotometrici), che consentono di calcolare gli spettri galattici, le magnitudini ed i colori. L'evoluzione cosmica della densità di luminosità in varie bande ottiche viene calcolata a partire dalla funzioni di luminosità osservata nell'universo locale, la quale permette di calcolare la densità di galassie per volume unitario. Si è assunto che tali densità si conservino per tutto il tempo cosmico e che le galassie evolvano come sistemi isolati solamente in luminosità (scenario PLE). Tale scenario evolutivo è equivalente ad assumere che a qualsiasi epoca la fusione ( merging) di due o più galassie non abbia alcun effetto dominante. Abbiamo quindi sviluppato un modello di evoluzione galattica che si contrappone ai modelli basati sul paradigma cosmologico più accreditato, che assume un universo di materia oscura fredda la cui energia è dominata dalla costante cosmologica. Tali modelli indicano che la formazione delle strutture su larga scala avviene in maniera gerachica: i primi oggetti a formarsi sono i più piccoli, che poi si fondono in oggetti via via più massicci. La materia barionica, che costituisce le galassie, ha lo stesso comportamento della materia oscura, quindi le prime galassie a formarsi sono le più piccole, che poi tramite successivi fenomeni di merging vanno a formare le galassie giganti. Contrariamente al nostro scenario, questi modelli postulano quindi che le strutture galattiche subiscano una forte evoluzione in numero. L'utilità dello scenario PLE descritto in questa tesi è rappresentata dal fatto che, al contrario di altri approcci teorici come modelli semi-analitici di formazione o simulazioni cosmologiche idrodinamiche/SPH, essi permettono di studiare singolarmente l'evoluzione dei diversi tipi morfologici di galassie e di calcolare i contributi di ognuno di essi al tasso cosmico di formazione stellare e di produzione degli elementi. Questo punto rappresenta la prima e più importante novità presentata in questa tesi. Lo scenario PLE è stato infine usato per calcolare teoricamente l'evoluzione del tasso cosmico di esplosioni di supernova, il quale, grazie ai telescopi spaziali di nuova generazione, presto potrà essere misurato fino ad alti redshift, fornendo cosi altre indicazioni fondamentali per studi di formazione ed evoluzione galattica. Il confronto tra le predizioni ottenute grazie al modello PLE e quelle fornite dai modelli gerarchici rappresenta un altro potente strumento di studio in campo di evoluzione galattica. Grazie al confronto tra le diverse predizioni e le osservazioni, è possibile distinguere fra i diversi modelli di evoluzione e determinare quale meglio descrive la realtà. Ciò costituisce un ulteriore scopo di questa tesi, assieme alla ricerca di possibili strategie osservative che permettano di distinguere tra evoluzione gerarchica ed in sola luminosità delle galassie, qualora al momento presente i dati non permettano di effettuare tale distinzione. In seguito, le predizioni del tasso cosmico di produzione degli elementi vengono usati al fine di calcolare un inventario dei metalli e dei barioni presenti nell'universo locale. Una parte degli elementi prodotti sinora rimane incorporato in stelle e resti stellari, un'altra parte viene restituita al mezzo interstellare ed un'ulteriore frazione viene espulsa nel mezzo intergalattico tramite venti galattici. Il formalismo descritto in questa tesi permette il calcolo dettagliato delle frazioni di elementi pesanti presenti in ognuna delle tre componenti dell'universo locale. Il calcolo della quantità di elementi presenti nelle varie fasi (stelle, ISM, IGM) ed in differenti galassie rappresenta la seconda novità di questa tesi. Infine, i modelli di evoluzione chimica di galassie di vari tipi morfologici consentono di effettuare l'analisi delle abbondanze chimiche osservate nei sistemi osservati ad alti redshift. Fra essi, i sistemi damped Lyman alpha (DLA) rivestono particolare importanza in quanto sono considerati i più probabili progenitori delle galassie spirali ed irregolari. Con la presente tesi è stato possibile studiare in primo luogo l'evoluzione chimica dei DLA nella loro globalita, al fine di determinare quali tipi di galassie possono essere associati ai DLA e quali ne devono essere esclusi. In secondo luogo, concentrandosi su sistemi DLA individuali e cercando di riprodurre il maggior numero possibile di abbondanze chimiche osservate, è stato possibile avere indicazioni sulla loro eta. Questo tipo di analisi non é mai stato effettuato sinora e rappresenta la terza novità di questa tesi. La tesi è strutturata nel modo seguente: il capitolo l presenta una panoramica generale sull'evoluzione galattica. Si discutono le proprietà osservative dei diversi tipi morfologici, assieme alle interpretazioni di tali proprietà ed agli approcci teorici allo studio dell'evoluzione e della formazione galattica. Particolare enfasi viene posta sul dibattito riguardante la formazione delle ellittiche, sull'epoca in cui é avvenuta e sulle sue modalità. Il capitolo 2 presenta una descrizione dei modelli di evoluzione chimica utilizzati, delle assunzioni alla base dei modelli per galassie ellittiche, spirali ed irregolari ed alcuni esempi riguardanti i risultati forniti da tali modelli. Nel capitolo 3 vengono descritti i modelli spettrofotometrici utilizzati per studiare gli spettri galattici, le magnitudini ed i colori, oltre ad un confronto tra risultati ottenuti impiegando diversi modelli di sintesi di popolazioni stellari e lo studio degli effetti di estinzione causati dalla polvere. Nel capitolo 4 vengono presentati i risultati sull'evoluzione del tasso cosmico di formazione stellare, della densità di lumininosità e del tasso cosmico di esplosioni di supernova, oltre ai risultati forniti dal confronto tra le predizioni ottenute con il modello PLE sviluppati in questa tesi e quelle ottenute grazie al modello semianalitico di formazione gerarchica di Menci et al. (2002). Nel capitolo 5 si effettua il calcolo del tasso cosmico di produzione degli elementi pesanti, dell'inventario dei metalli nell'universo locale e delle abbondanze medie in stelle, mezzo interstellare e mezzo intergalattico. Nel capitolo 6, i modelli di evoluzione chimica vengono applicati allo studio di sistemi DLA. Infine, nel capitolo 7, vengono presentate le conclusioni generali.

The present work is aimed at the study of the evolution of "cosmic quantities", such as the luminosity density, star formation rate density, supernova rate and metal production rate density. In some cases, these quantities are calculated per unitary comoving volume, hence they are called "densities". All these quantities are investigated in detail by means of chemical and spectrophotometric models for galaxies of different morphological types, namely ellipticals, spirals and irregulars. The chemical evolution models allow one to calculate the time evolution of the production rate of any chemical element, along with the element abundances in the interstellar gas and in the stars. Starting from the matter reprocessed by the stars and restored into the ISM through stellar winds and supernova explosions, it is possible to model the chemical enrichment of the universe in all of its components, namely the interstellar medium (ISM), the stars and the intergalactic medium (IGM). It is possible to calculate the time evolution of the abundances of several chemical species, such as C, O, N, Fe and Zn. In this thesis, the predicted abundances are compared to the observed ones: such task can provide precious hints on galactic evolution and element production both in the local and in the distant universe. The light emitted by stars in galaxies is studied by means of population synthesis models, which allow one to calculate the galaxy spectra, magnitudes and colors. The cosmic evolution of the luminosity density in various optical bands has been calculated starting from the luminosity function observed in the local universe, which allows us to determine the number of galaxies per comoving volume. We have assumed that the galaxy densities remain constant throughout the whole cosmic epoch and that the galaxies evolve as isolated systems only in luminosity. This scenario represents a pure luminosity evolution (PLE) one and it is equivalent to assume that merging has had no dominant effect on galaxy evolution throughout the Hubble time. Hence, we have developed a galaxy evolution picture which is opposed to the galaxy formation models based on the current "concordance" cosmological paradigm, which assume a cold dark matter universe whose energy is dominated by the cosmological constant. Such models indicate that the formation of large scale structures occurs in a hierarchical fashion: the first objects to form are the smallest ones, which then merge and build larger and larger objects. The baryonic matter, which builds up the galaxies, has the same behaviour of the dark matter, so that the first galaxies to form are the dwarf ones, which then by means of several merging processes give place to the giant galaxies. Thus, in contrast to our scenario, these models predict a strong galaxy number evolution. The strength of the PLE scenario described in this thesis is that, at variance with other approaches such as semi-analytical galaxy formation modeling or hydrodynamical/SPH cosmological simulations, it allows to study the evolution of the galaxy morphological types and the contributions brought by each type to cosmic star formation and element production in the universe. This point represents the first main novelty of my thesis. The PLE picture has also been used to predict the evolution of the cosmic Supernova rate which, thanks to the next generation space telescopes, will be soon measurable up to the highest redshifts, providing other fundamental hints to constrain galaxy formation and evolution. Furthermore, the comparison between the predictions obtained by the PLE scenario described in this thesis and the hierarchical represents an important benchmark to study galaxy evolution. When compared to the observations, it is possible to infer which picture is better to describe galaxy evolution. This is another aim of the present thesis, along with the suggestion of new observational strategies to disentangle between the hierarchical and the PLE picture if the current data do not allow us to perform such task. The predictions on the cosmic element production rates are then used to calculate the metal and baryonic budget in the local universe. Part of the elements synthesized so far remains locked up in long living stars and remnants, part is restored into the galactic ISM through supernova (SN) explosions and stellar winds while another fraction is expelled into the IGM through galactic winds and outflows. The formalism described in this thesis allows us a detailed computation of the element fractions present in each of the three main components of the local universe. The investigation of the amounts of different elements locked up in various phases (stars, IGM, ISM) and in different galaxies represents the second main novelty of this thesis. Finally, the chemical evolution models for galaxies of different morphological types allow us to perform an analysis of the chemical abundances measured in high-redshift objects. Of particular importance are the Damped-Lyman Alpha (DLA) systems, often referred to as the most likely progenitors of the local spiral and irregular galaxies. With the present work, it has been possible to study first the chemical evolution of the DLA population as a whole, in order to infer which morphological galactic types can be associated to DLAs and which are to be ruined out. Secondly, by focusing on individual systems and by reproducing at the same time as many observed abundances as possible, it has been possible to infer the star formation history of some single DLA systems and to have important hints on their ages. This kind of analysis, never performed so far, represents the third major novelty of this thesis. The present thesis is organized as follows: in chapter l a general overview on galaxy evolution is performed. The observational properties of the different galactic types are described, along with their interpretation and current theoretical approaches to galaxy formation and evolution. Particular emphasis is put on the most intriguing debate in galaxy evolution, namely: how and when did the formation of spheroids occurred in the universe occurred? Chapter 2 is a description of the chemical evolution models used in the present work: the main physical assumptions at the basis of the models for ellipticals, spiral and irregular galaxies and some results concerning the predictions which these models provide. Chapter 3 is a description of the spectro-photometric models used to study galaxy spectra, magnitudes and colors, with a comparison between results coming from different models and a description of the method used to investigate the dust extinction effects. In chapter 4 the results concerning the cosmic star formation history, the galaxy luminosity density and cosmic supernova rate are presented, along with a comparison between the predictions provided by the PLE model developed with this thesis and the hierarchical model by Mencietal. (2002). In chapter 5 we present our detailed calculations of the metal production rates. We perform a budget of the metals in the local universe and investigate the metal abundances in stars, ISM and IGM. In chapter 6 we apply our chemicai evoiution models to the study of damped Lyman alpha systems. Finally, in chapter 7 some conclusions are drawn.
Description: 
2002/2003
Type: Doctoral Thesis
URI: http://thesis2.sba.units.it/store/handle/item/12544
http://hdl.handle.net/10077/11573
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