H2 MAGIE: H2 as a Major Agent to Galaxy Interaction and Evolution

27 MB·English

by  Pierre Guillard

H MAGIE
2
H as a Major Agent to Galaxy Interaction and Evolution
2
PhD THESIS
by
Pierre Guillard
Institutd’AstrophysiqueSpatiale,UniversitParis-Sud11
UMR8617,Bt. 121,91405OrsayCedex,France
Front page : The Universe is smiling! This spectacular picture shows the Stephan’s Quintet, a
compactgroupofinteractinggalaxies. Aviolentgalaxycollisionisoccurring, whichcreatesagiant
shock wave highlighted in green (Hα) on the image. This is a composite image made up of optical,
Hαandinfraredobservations.
ii
Institutd’AstrophysiqueSpatiale InterstellarMatterandCosmologyGroup
UniversityofParis-Sud11 Écoledoctoraled’Astrophysiqued’ÎledeFrance
“H MAGIE”
2
H as a Major Agent to Galaxy
2
Interaction and Evolution
THESIS
submittedandpubliclydefendedonNovember,the12th,2009
infulfilmentoftherequirementsforthe
Doctorat de l’Université de Paris-Sud XI
SpécialitéAstrophysiqueetIntrumentationAssociées
by
Pierre Guillard
Compositionofthejury
President: AlainAbergel IAS,UniversityofParis-SudXI,Orsay
Referees: CristinaPopescu UniversityofCentralLancashire
AmielSternberg UniversityofTel-Aviv
Examiners: FrançoisBoulanger IAS,Orsay,thesissupervisor
GuillaumePineaudesForêts IAS,Orsay,co-supervisor
MatthewLehnert GEPI,Obs. Paris-Meudon
RonaldJ.Allen STScI,Baltimore,USA
PhilipN.Appleton HerschelScienceCenter,IPAC,USA

Institutd’AstrophysiqueSpatiale GroupeMatièreInterstellaireetCosmologie
UniversitéParis-Sud11 Écoledoctoraled’Astrophysiqued’ÎledeFrance
“H MAGIE”
2
L’Hydrogène moléculaire dans
l’évolution des galaxies
THÈSE
présentéeetsoutenuepubliquementle12Novembre2009
pourl’obtentiondugradede
Docteur de l’Université de Paris-Sud XI
SpécialitéAstrophysiqueetIntrumentationAssociées
par
Pierre Guillard
Compositiondujury
Président: AlainAbergel IAS,UniversitéParis-SudXI,Orsay
Rapporteurs: CristinaPopescu UniversityofCentralLancashire
AmielSternberg UniversitédeTel-Aviv
Examinateurs: FrançoisBoulanger IAS,Orsay,Directeurdethèse
GuillaumePineaudesForêts IAS,Orsay,co-directeur
MatthewLehnert GEPI,Obs. Paris-Meudon
RonaldJ.Allen STScI,Baltimore,USA
PhilipN.Appleton HerschelScienceCenter,IPAC,USA

Contents
Acknowledgements xiii
Introduction 3
I Molecules,dust,andgalaxyevolution 7
1 ThediscoveryofanewpopulationofH2-luminousobjects 9
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 H -luminousgalaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2
1.2.1 Globalobservationalcharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 ExamplesamongdifferenttypesofH -luminousastrophysicalsources . . . 12
2
1.3 Mainquestionsaddressedinthisdissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 AstrophysicalimplicationsofobservationsofH -galaxies . . . . . . . . . . 17
2
1.3.2 WhatcanwelearnfromH galaxies? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2
1.4 Outlineofthedissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Gasanddustingalaxies 21
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Themultiphaseinterstellarmedium(ISM)ingalaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Constituents,phases,andstructureoftheISM . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 StructuringtheISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 EnergycontentoftheISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.4 MassandenergytransfersbetweentheISMphases . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.5 ThermalbalanceintheISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Evolutionofinterstellardust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 TheimportanceofdustforourstudyofH -luminousgalaxies . . . . . . . . 31
2
2.3.2 Dustcompositionandsizedistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3 Dustprocessinginshocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Time-dependentcoolingofadustyplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.1 Calculationmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
vii
Contents
2.4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 TheH2 molecule 41
3.1 Introduction: theroleofH intheUniverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2
3.2 PortraitoftheH molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2
3.2.1 H rovibrationaltransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2
3.2.2 H ortho-to-pararatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2
3.2.3 Criticaldensities: H asathermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2
3.3 H formationandchemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2
3.3.1 H formationinthegasphase? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2
3.3.2 TheH formationoninterstellardustgrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2
3.3.3 H ,initiatorofanimpressivemolecularcomplexity . . . . . . . . . . . . . . 52
2
3.4 H excitationmechanismsanddiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2
3.4.1 Collisionalexcitationanddissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2 X-rayandcosmic-rayheatingefficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.3 ExcitationduringtheH formationprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2
3.4.4 RadiativeexcitationofH (UVpumping) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2
3.4.5 H excitationdiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2
3.5 ObservingH inspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2
3.5.1 DirectH observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2
3.5.2 CO,aproxyforH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2
4 ShocksandchemistryinthemultiphaseISM 65
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2 Magnetohydrodynamic(MHD)shocksinanhomogeneousmedium . . . . . . . . . 67
4.2.1 Wavespropagatingintoaplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.2 C-andJ-typeshocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 ModelingMHDshocksinmoleculargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.1 TheFloweretal. codeandthegridofshockmodel . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.2 Impactofthechemistryontheshockstructure . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.3 Energeticsandmolecularemissioninshocks . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Fastshockmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.1 Structureofafastshockwithradiativeprecursor . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.2 TheMAPPINGSshockmodellibrary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5 Shockspropagatingintoaninhomogeneousmedium . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.1 Reflexionandtransmissionofashockthroughadiscontinuity . . . . . . . . 87
4.5.2 Evolutionofashockedmolecularcloud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.3 Supersoniccollisionbetweentwogasstreams . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.5.4 Concludingremarksandlimitationsofexistingcodes . . . . . . . . . . . . . 99
viii
Contents
II DetailedstudiesofH -luminoussourcesinspace 101
2
5 PowerfulH2 emissionfromtheStephan’sQuintetgalaxy-wideshock 103
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2 ObservationsofwarmH gasinStephan’sQuintet . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2
5.2.1 Thediscovery: anH -brightgiantshock! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2
5.2.2 Astrophysicalquestions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3 HowdoesH formintheStephan’sQuintetgiantshock? . . . . . . . . . . . . . . . 107
2
5.3.1 Alongroutetoacoherentscenario... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3.2 H formationoutofmultiphasepostshockgas . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2
5.4 Summaryandconclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.5 Publication: paperI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Mappingthemid-IRlinecoolinginStephan’sQuintet 131
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2 SpectralmappingoftheH lineemissionintheSQshock . . . . . . . . . . . . . . 132
2
6.2.1 H spatialdistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2
6.2.2 Astrophysicalquestionsraisedbythenewobservations . . . . . . . . . . . . 134
6.2.3 Updatedmassandenergybudgetsforthewholeridge . . . . . . . . . . . . 135
6.3 Acomplexastrophysicalcontext: SQobservationalconstrains . . . . . . . . . . . . 135
6.3.1 AretherefivemusiciansplayingintheStephan’sQuintet? . . . . . . . . . . 135
6.3.2 ThecomplexdynamicalhistoryofStephan’sQuintet . . . . . . . . . . . . . 139
6.3.3 Furtherevidenceforagalaxy-wideshock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.4 HowcanweaccountfortheH excitation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2
6.4.1 PossibleH excitationmechanismsintheSQshock . . . . . . . . . . . . . . 147
2
6.4.2 Low-velocityMHDshocksandH excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2
6.4.3 Futureobservationaltests: near-IRH lineemission . . . . . . . . . . . . . 154
2
6.5 WhyisH suchanimportantcoolant? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2
6.5.1 MassandenergycyclebetweenISMphases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.5.2 Physicsoftheenergytransfer: qualitativediscussion . . . . . . . . . . . . . 158
6.6 Opticalandmid-IRfinestructurelinediagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.6.1 Hαimagingandopticallinespectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.6.2 Distributionofthefine-structurelineemission . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.6.3 Opticalandmid-IRfinestructurelinesasshockdiagnostics . . . . . . . . . 162
6.6.4 Conclusion: adistributionofshockvelocities . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.7 RemarksabouttheNGC7319Seyfertgalaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.7.1 Observationalcontext: andAGNintheSQgroup . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.7.2 TheH bridge: AGN-drivenoutflowortidalinteractions? . . . . . . . . . . 168
2
6.8 Summaryandconclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.9 Publication: paperII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
ix
Contents
7 ColdmoleculargasinStephan’sQuintet 193
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.2 PreviousCOobservationsofStephan’sQuintet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.3 NewCOobservationsintheSQridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.3.1 HistoryofourCOobservations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.3.2 ObservationswiththenewEMIRreveiveratIRAM30mtelescope . . . . . . 198
7.4 Preliminaryresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.4.1 Distributionandmassofmoleculargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.4.2 ComplexkinematicsoftheCOgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.5 AstrophysicalquestionsraisedbyCOobservations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.5.1 Howisthemoleculargasaccelerated? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.5.2 DrivingSchmidt-Kennicutintoacorner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.6 Concludingremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8 DustemissioninStephan’sQuintet 211
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.2 ObservationsofdustemissionfromStephan’sQuintet . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.2.1 Pastobservations(ISO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.2.2 NewSpitzerobservations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.3 Publication: PaperIII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.4 PerspectivesonrevisitingdustsurvivaltimescalesinamultiphaseISM . . . . . . . . 234
9 H2 ingalaxyevolution 235
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.2 H andfeedbackingalaxyevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
2
9.2.1 Feedbackfromstarformation: H in“superwinds” . . . . . . . . . . . . . . 237
2
9.2.2 H andAGNfeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
2
9.3 ArewewitnessingnegativeAGNfeedbackintheradiogalaxy3C326? . . . . . . . . 240
9.3.1 Observationalcontext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.3.2 H excitationin3C326 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
2
9.3.3 Publication: paperIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
III Thenext-generationtooltostudyH inspace: theJWST 265
2
10 TheJWSTobservatoryanditsMid-InfraredInstrument(MIRI) 267
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.2 JWSTmissionoverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.2.1 Impressivenumbers! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.2.2 Thespacecraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
10.2.3 TheeyeoftheJWST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2.4 Deploymentandcommissioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2.5 Scienceinstrumentson-boardJWST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
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