A multiwavelength and multiscale study of luminous and ultraluminous infrared galaxies in the local universe

Resumo

Esta tesis comprende un estudio multifrecuencia de las galaxias luminosas y ultraluminosas en el infrarrojo (LIRGs y ULIRGs, respectivamente) en el Universo local, estudiadas a diferentes escalas espaciales. El trabajo se ha centrado en las propiedades de los brotes de formación estelar masiva, en la contribución de los núcleos activos de galaxias (AGN) y en la interrelación entre ambos fenómenos. El estudio de las (U)LIRGs locales es el mejor escenario para comprender las propiedades de estos objetos a distancias cosmológicas, donde su contribución domina el fondo cósmico infrarrojo. La primera aproximación al estudio de las (U)LIRGs ha consistido en un estudio de línea espectral en el rango milimétrico con datos obtenidos en el radiotelescopio IRAM 30 m de Pico Veleta, en Granada, de 56 (U)LIRGs de la muestra del proyecto GOALS. Hemos observado y analizado espectros de varias líneas moleculares, centrándonos en el estudio del monóxido de carbono (CO), conocido trazador del gas molecular. Hemos explorado la relación entre ambos, así como las propiedades del gas molecular que se derivan de su estudio. Además de caracterizar nuestra muestra, este estudio nos ha permitido confirmar la hipótesis de que el cociente isotópico entre 12CO y 13CO es proporcional a la temperatura del polvo presente en las (U)LIRGs, lo que se explicaría con una disminución de la profundidad óptica de 12CO con la temperatura. Asimismo hemos estudiado la cinemática y la distribución del gas a partir de los perfiles espectrales de varias líneas moleculares. En una segunda parte, hemos analizado la región del kiloparsec central de una muestra de 12 LIRGs, hemos hecho hincapié en la importancia del estudio multifrecuencia con el objetivo de derivar las propiedades de la formación estelar en estas galaxias, así como en el estudio de la contribución de los posibles núcleos activos de galaxias a la luminosidad bolométrica de las (U)LIRGs. En una de las galaxias, la LIRG NGC1614, hemos realizado un profundo estudio multifrecuencia, incluyendo datos radio, infrarrojo, óptico y rayos X. Estos datos nos han permitido establecer, entre otras cosas, que la emisión infrarroja de la región circunnuclear está dominada completamente por un potente brote de formación estelar y, en caso de que exista un AGN, éste es completamente irrelevante. Hemos realizado también un estudio exploratorio donde hemos utilizado un mapa de Paschen alfa para desarrollar un método para aislar las dos componentes predominantes en la emisión radio a 8.4 GHz: la emisión térmica y la emisión sincrotrón. Esta descomposición nos ha permitido utilizar los diferentes porcentajes de cada emisión en diferentes regiones para obtener las edades aproximadas de las mismas, permitiéndonos comprender mejor el fenómeno de los brotes de formación estelar masiva (starbursts). Asimismo, hemos estudiado la formación estelar masiva en la LIRG cercana más luminosa, Arp299, a través de las supernovas que explotan tanto en el núcleo de su región más brillante (Arp 299-A), como en sus alrededores. Gracias a imágenes radio del interferómetro e-MERLIN obtenidas a partir del proyecto de legado LIRGI (IPs: J. Conway & M.Á. Pérez-Torres) descubrimos la contrapartida en radio de la supernova SN2010P. Utilizando varias épocas de observación, modelamos su curva de luz a lo largo del tiempo, siendo capaces de establecer su naturaleza como supernova de tipo IIb. Otra supernova en el sistema (SN2010O), cuya explosión ocurrió apenas unos días antes que la de la SN2010P, no mostró sin embargo emisión radio, a pesar de nuestros esfuerzos por detectarla en diferentes épocas. Este radiosilencio en épocas tardías se debe probablemente a su rápida evolución, compatible con una supernova de tipo Ib. En cuanto a nuestro estudio de las supernovas en la región central de Arp 299-A, utilizamos técnicas de radiointerferometría de muy larga base (VLBI). Analizando observaciones de varias épocas a lo largo de 2.5 años utilizando el European VLBI Network (EVN) pudimos confirmar 25 fuentes compactas, la mayor parte de las cuales son supernovas o remanentes de supernovas, que nos permitieron derivar una tasa de explosión de supernovas de ~0.8 SN por año, compatible con estudios anteriores. Encontramos además que la mayor parte de la formación estelar en Arp 299-A tiene lugar en los 150 parsec centrales. La última aproximación al estudio de las (U)LIRGs realizado en esta tesis doctoral ha consistido en el uso de técnicas de radiointerferometría de muy larga base (VLBI) con el fin de resolver las regiones más nucleares de estas galaxias. Dado que las observaciones radio no están afectadas por la extinción debida al polvo y gracias a la alta resolución angular que proporcionan las observaciones VLBI, esta técnica es la única con la que se puede realizar un estudio de este tipo a escalas nucleares. Es en estas regiones donde se producen los brotes de formación estelar más violentos y donde la interacción entre éstos y la presencia de los núcleos activos que existen en algunas (U)LIRGs se hace más evidente. Hemos estudiado las supernovas detectadas mediante VLBI en los núcleos de tres galaxias con brotes de formación estelar, Arp 299-A, Arp 220 y M82, para determinar cómo se distribuyen espacialmente. Esta distribución radial, que parece responder a un perfil exponencial, ha sido extensamente estudiada con anterioridad en regiones circungalácticas, pero las zonas nucleares han sido sistemáticamente excluidas de estos estudios por la falta de observaciones con la resolución necesaria. Estas observaciones presentan una gran dificultad debido tanto a la alta resolución necesaria como a la extinción por el polvo que existe en las zonas nucleares de las galaxias con una elevada tasa de formación estelar. Ambos problemas pueden ser resueltos utilizando técnicas de radio-VLBI. En este trabajo descubrimos que la distribución radial de las supernovas cambia radicalmente en las zonas más internas de estas galaxias, proporcionando evidencias de la existencia de discos circunnucleares, discos que fueron propuestos por modelos teóricos y cuyos tamaños característicos son compatibles con los obtenidos aquí. Este trabajo pone de manifiesto la importancia del estudio multifrecuencia para derivar los mecanismos que juegan un papel importante en los procesos de formación estelar en (U)LIRGs.