Star formation in high-z and IR-luminous Galaxies

  • Team

  • Prof. Frank Bertoldi (PI, AIfA)
  • Dr. Marcus Albrecht (AIfA)
  • Toma Badescu (AIfA)
  • Sandra Burkutean (AIfA)
  • Dr. Alexander Karim (AIfA)
  • Christos Karoumpis (AIfA)
  • Prof. Kirsten Knudsen (Chalmers Univ.)
  • Dr. Benjamin Magnelli (AIfA)
  • Felipe Navarrete (AIfA/MPIfR)
  • Sameera Salim (AIfA)
  • Dr. Yujin Yang (AIfA)
  • Dr. Reinhold Schaaf (AIfA)

Überblick

„In den ersten 4-5 Milliarden Jahren sind die meisten Sterne entstanden im Universum, und über die wissen wir am wenigsten.“

Mehr als ein Drittel aller jemals entstandenen Sterne wurden in heftigen Sternentstehungsausbrüchen in der Frühphase des Universums, etwa zwei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall, geboren. Die Sternentstehungsrate dieser sogenannten Starbursts war im Vergleich zur heutigen Sternentstehung in unserer Milchstraße um das Hundert- bis Tausendfache erhöht, so dass mit enormer Geschwindigkeit Gas und Staub in Sterne umgewandelt wurden. Eine direkte Beobachtung dieser neu gebildeten Sterne ist allerdings nicht möglich, da die kompakten Starburst-Regionen durch Staub verdeckt sind. Wenn dieser Staub durch die intensive freigesetzte stellare Energie aufgeheizt wird, strahlt er im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Starburst Galaxien sind entsprechend durch intensive, infrarote Emission gekennzeichnet. Solche Galaxien existieren auch noch im heutigen Universum. Im Vergleich zu „normalen“ Galaxien, wie unserer Milchstraße, ist ihr Beitrag zur Sternentstehung heute aber erheblich geringer als in der Frühphase des Universums.

Für das Verständnis der Entwicklungsgeschichte der Galaxien von den frühesten beobachteten Galaxien bis heute stellt die Entstehung von Sternen einen Schlüsselaspekt dar. Gleichzeitig ist das Verständnis der Sternentstehung und deren Einfluss auf die Galaxienentwicklung aber sehr kompliziert, da eine Vielzahl verschiedener Phänomene und Prozesse miteinander in Wechselwirkung stehen. Relevante Faktoren sind beispielsweise die Interaktion benachbarter Galaxien, die vorhandene Menge von Gas, galaktische Winde und die Wirkung neu entstandener Sterne auf ihre Umgebung durch Strahlung (C1), Winde, Masseausflüsse (C2) und schließlich Supernovaexplosionen. Daneben gibt es eine enge Beziehung zwischen der Entwicklung des zentralen supermassereichen Schwarzen Loches einer Galaxie und der Entwicklung der Sternpopulation (A2).

Viele zentrale Aspekte der kosmischen Geschichte der Sternentstehung sind daher nach wie vor unverstanden. Beispielsweise ist im Detail unklar, welche Bedingungen verantwortlich für den gewaltigen Anstieg der Sternentstehung im frühen Universum waren, und was auf der anderen Seite diese Ausbrüche von Sternentstehung beendet hat. „Über die Entstehung dieser Sterne wissen wir am wenigsten. Die Bedingungen, unter denen dort Sterne entstanden sind, sind sehr verschieden von dem, wie wir heute in unserer Milchstraße Sternentstehung sehen“, fasst Frank Bertoldi, wissenschaftlicher Projektleiter, zusammen. Die Wirkung dieser Sternentstehung auf die Entwicklung von Galaxien muss zudem verstanden werden, um eine entwicklungsgeschichtliche Verbindung herstellen zu können zwischen den beobachteten jungen Starburst-Galaxien und den Galaxien, die uns heute umgeben. „Was wir wissen ist noch relativ oberflächlich, weil die Beobachtungsmöglichkeiten dafür, sehr entfernte Galaxien im Detail zu studieren sehr limitiert sind. Aber das ändert sich sehr schnell, gerade durch die hoch-auflösenden, sehr empfindlichen Instrumente, die wir heute haben“, so Bertoldi.

In Projekt A1 werden diese Instrumente genutzt, um die Bedingungen der Sternentstehung im frühen Universum und deren Wirkung auf die Entwicklung von Galaxien aufzuklären. Damit erweitert es die Studien der Sternentstehung im nahen Universum (A2, A3, A4, A5, A6) auf Galaxien bei hoher Rotverschiebung und liefert Beobachtungsdaten, die mit kosmologischen, numerischen Modellen der Galaxienentwicklung verglichen werden können (C4). Zahlreiche Beobachtungen entfernter Submillimeter Galaxien und von Galaxien, die hell strahlende Quasare beherbergen, wurden bereits durchgeführt. Die ältesten beobachteten Galaxien stammen dabei aus einer Zeit, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war, also weniger als zehn Prozent seines heutigen Alters. Die empirische Grundlage für das Studium des frühen Universums verbessert sich zur Zeit maßgeblich. Frank Bertoldi beschreibt diesen Fortschritt folgendermaßen: „Wir tasten uns immer weiter heran an die Galaxien bei sehr hoher Rotverschiebung. Die Astronomie ist immer sehr getrieben durch die Möglichkeiten der Beobachtung, und da ergeben sich im Moment neue Perspektiven.“

Ausgewählte Publikationen


 

In 2014
Decarli, R., Walter, F., Carilli, C., Bertoldi, F., et al. Varying [C II]/[N II] Line Ratios in the Interacting System BR1202-0725 at z = 4.7. ApJL, 2014, 782, L17.

Toft, S., Smolcic, V., Magnelli, B., Karim, A. et al., Submillimeter Galaxies as Progenitors of Compact Quiescent Galaxies. ApJ, 2014, 782, 68.

In 2013
Karim, A., Swinbank, A.M., Hodge, J.A., et al., An ALMA survey of submillimetre galaxies in the Extended Chandra Deep Field South: high-resolution 870um source counts. MNRAS, 2013, 432, 2.

Wang, R., Wagg, J., Carilli, C.L., Walter, F., Lentati, L., Fan. X., Riechers, D.A., Bertoldi, F., et al. Star Formation and Gas Kinematics of Quasar Host galaxies at z~6: New Insights from ALMA. ApJ, 2013, 773, 10.

In 2012
Smolcic, V., Aravena, M., Navarrete, F., et al., Millimeter imaging of submillimeter galaxies in the COSMOS field: redshift distribution. A&A, 2012, 548, A4 (co-authors: Karim, A. & Bertoldi, F.).

Swinbank, A.M., Karim, A., Smail, I., et al., An ALMA survey of submillimetre galaxies in the Extended Chandra Deep Field-South: detection of [CII] at z = 4.4. MNRAS, 2012, 427, 1066.

In 2011
Capak, P.L., Riechers, D., Scoville, N.Z., Carilli, C., Cox, P., Neri, R., Robertson, B., Salvato, M., Schinnerer, E., Yan, L., Wilson, G.W., Yun, M., Civano, F., Elvis, M., Karim, A., et al., A massive protocluster of galaxies at a redshift of z=5.3. Nature, 2011, 470, 233.

Karim, A., Schinnerer, E., Martinez-Sansigre, A., et al., The Star Formation History of Mass-selected Galaxies in the COSMOS Field. ApJ, 2011, 730, 61.

In 2010
Greve, T.R., Weiß, A., Walter, F., et al., A LABOCA Survey of the Extended Chandra Deep Field South: Submillimeter Properties of Near-infrared Selected Galaxies. ApJ, 2010, 719, 483 (co-author: Bertoldi, F.).

In 2009
Weiß, A., Kovacs, A., Coppin, K.E.K., et al., The Large Apex Bolometer Camera Survey of the Extended Chandra Deep Field South. ApJ, 2009, 707. 1201 (co-author: Bertoldi, F.).

Walter, F., Riechers, D., Cox, P., Neri, R., Carilli, C., Bertoldi, F., Weiss, A. & Maiolino, R., A kiloparsec-scale hyper-starburst in a quasar host less than 1 gigayear after the Big Bang. Nature, 2009, 457, 699.

Non-Refereed
Staguhn, J. G., Kovacs, A., Arendt, R.G., et al., The GISMO 2-millimeter Deep Field in GOODS-N, submitted to ApJ, arXiv:1311.1485 (co-author: Karim, A.).