High Angular Resolution Radio Observations of Luminous Infrared Galaxies

Resumen

El objetivo general de esta tesis ha sido mejorar nuestra comprensión de los procesos de emisión y absorción en radio que tienen lugar en las galaxias luminosas y ultraluminosa en el infrarrojo (U/LIRGs) del universo local, utilizando radiointerferómetros de última generación que ofrecen una alta resolución angular (mejor que 1 segundo de arco) y gran sensibilidad en múltiples frecuencias. Estas observaciones radiointerferométricas permiten caracterizar la distribución de energía espectral en el rango de frecuencias de GHz, donde se sabe que la emisión sincrotrón, así como la emisión térmica libre-libre, contribuyen de modo significativo (Condon, 1992). He presentado resultados de la muestra e-MERLIN LIRGI, cuyo objetivo global es caracterizar la evolución fenomenológica del núcleo de un brote de formación estelar (starburst). Uno de los objetivos inmediatos es desvelar la fuente responsable del calentamiento del polvo y el gas en las regiones nucleares de estas galaxias (AGN o brote de formación estelar). Aunque aquí presentamos resultados preliminares de LIRGI en la banda de 5 GHz, los resultados evidencian el enorme potencial del uso de la radiointerferometría con resoluciones mejores que el segundo de arco para el estudio de brotes y regiones nucleares en el universo local. En la primera parte de este trabajo realizamos un estudio exhaustivo de la LIRG Arp 299, donde presentamos las primeras combinando observaciones del Jansky Very Large Array (JVLA) a frecuencias entre 1.4 y 8.4 GHz con las primeras observaciones de esta LIRG obtenidas con el LOw Frequency ARray (LOFAR), incluyendo las estaciones internacionales. Este trabajo engloba un estudio detallado del campo magnético, la emission measure y por lo tanto su correspondiente densidad electrónica, de su índice espectral, y de las características estructurales de los regiones nucleares de Arp 299 a estas frecuencias. Uno de los resultados más importantes obtenidos a partir de las observaciones de LOFAR, en combinación las del JVLA a varias frecuencias, es la caracterización del medio interestelar en los núcleos de las LIRGs. Para ello, ajustamos la distribución espectral de energía de los núcleos, entre 150 MHz y 8.4 GHz, utilizando dos modelos diferentes del gas térmico absorbente/emisor: en uno de los modelos, las partículas emisoras/absorbentes están distribuidas de modo uniforme (modelo continuo) (Condon, 1992), mientras que en el segundo se supone un medio con grumos (Conway, Elitzur, and Parra, 2018), donde la distribución del gas no es uniforme. Ambos modelos ajustan bien los datos existentes. El modelo continuo puede explicar la SED de los núcleos con una población estándar de electrones relativistas sometidos a pérdidas por sincrotrón, Bremsstrahlung e ionización , que se esperan sean significativas debido a las grandes densidades encontradas en las regiones centrales de las U/LIRG (Lacki, Thompson, and Quataert, 2010). El modelo de grumos puede explicar los datos mediante una población de electrones relativistas con pérdidas de energía insignificantes, y predice fracciones térmicas que son más típicas de las galaxias con formación estelar, en comparación con el modelo continuo. Nosotros proponemos observaciones con LOFAR a frecuencias menores de 100 MHz, o bien observaciones con el uGMRT a 600 MHz para discernir entre ambos modelos. En cualquier caso, estos resultados ponen de manifiesto la relevancia de las observaciones de baja frecuencia y alta resolución angular para trazar el medio interestelar difuso en galaxias. En la segunda parte de la tesis he abordado el estudio de las propiedades físicas de la muestra LIRGI, así como de la caracterización de los procesos de emisión y absorción en galaxias locales, donde podemos hacerlo con extraordinario detalle. Esto nos permitirá comprender mejor las propiedades de las galaxias con brotes de formación estelar a distancias cosmológicas (Magnelli et al., 2009), donde sabemos que fueron mucho más abundantes, pero la resolución angular no permite resolver las estructuras con el adecuado detalle. Por último, he estudiado la función de luminosidad de los remanentes de supernova (SNR) en galaxias normales (Chomiuk and Wilcots, 2009), con el objetivo de construir una función de luminosidad universal. Para ello, escribí un código que utiliza un tamaño no uniforme del ”bin”, lo que evita introducir sesgos en el estudio debido al pequeño tamaño de algunas muestras de SNR. El resultado principal es la obtención de un nuevo (verdadero) límite de completitud en la muestra global debido a la presencia de galaxias con estallido de estrellas.