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The molecular ISM of quasar host galaxies in the early universe [Elektronische Ressource] / presented by Dominik Alexander Riechers

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The Molecular ISM ofQuasar Host Galaxiesin the Early UniverseDominik Alexander RiechersMax–Planck–Institut fu¨r AstronomieHeidelberg 2007Dissertation in Astronomysubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.–Phys. Dominik Alexander Riechersborn in Hannover, GermanyOral examination: 07.11.2007, 10:30amThe Molecular ISM ofQuasar Host Galaxiesin the Early UniverseReferees: Prof. Dr. Hans–Walter RixDr. Fabian WalterZusammenfassung/AbstractDetailed studies of the molecular gas phase in the host galaxies of the highest redshiftquasars are important for our understanding of the formation and evolution of quasarsand their bulges, since the molecular gas is the prerequisite material for star formation.Thisinvestigationcapitalizes onstate-of-the-artobservationsintheradio/millimeterwave-length regime to study the key properties of the molecular interstellar medium in some ofthe most distant, gas-rich quasars. To search for evolutionary, luminosity-dependent, orgalaxy type-dependent trends in the conditions under which star formation takes place,results are interpreted in the context of studies of nearby galaxies and high redshift galaxypopulations. From the first high-resolution CO(J=1→0) spectroscopy of high-z quasars,the total molecular gas mass of their host galaxies is determined.

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Published 01 January 2007
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Language English
Document size 9 MB

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The Molecular ISM of
Quasar Host Galaxies
in the Early Universe
Dominik Alexander Riechers
Max–Planck–Institut fu¨r Astronomie
Heidelberg 2007Dissertation in Astronomy
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.–Phys. Dominik Alexander Riechers
born in Hannover, Germany
Oral examination: 07.11.2007, 10:30amThe Molecular ISM of
Quasar Host Galaxies
in the Early Universe
Referees: Prof. Dr. Hans–Walter Rix
Dr. Fabian WalterZusammenfassung/Abstract
Detailed studies of the molecular gas phase in the host galaxies of the highest redshift
quasars are important for our understanding of the formation and evolution of quasars
and their bulges, since the molecular gas is the prerequisite material for star formation.
Thisinvestigationcapitalizes onstate-of-the-artobservationsintheradio/millimeterwave-
length regime to study the key properties of the molecular interstellar medium in some of
the most distant, gas-rich quasars. To search for evolutionary, luminosity-dependent, or
galaxy type-dependent trends in the conditions under which star formation takes place,
results are interpreted in the context of studies of nearby galaxies and high redshift galaxy
populations. From the first high-resolution CO(J=1→0) spectroscopy of high-z quasars,
the total molecular gas mass of their host galaxies is determined. By more than doubling
thenumber ofmolecules knowninthedistantuniverse [from2(CO/HCN)to5], itisfound
that multiple molecular probes of dense gas predict similar star formation rates within the
dense molecular regions of high redshift galaxies, out to the first 2Gyr after the Big Bang.
Together with other studies, these results indicate an increase in star formation efficiency
toward the most luminous distant gas-rich systems, possibly due to a higher median gas
density. In a connected, time consuming interferometric study, the host galaxies of three
′′z>4 quasars are resolved, for the first time, both spatially (at up to 0.15 , or 1.0kpc) and
in velocity space, revealing that the molecular reservoirs show a wealth of morphologies.
The derived dynamical masses are large enough to account for both the central supermas-
sive black holes and the full reservoirs of molecular gas, but do not leave much room for
a stellar bulge as predicted by the local relation between black hole mass and bulge veloc-
ity dispersion. Quasar host galaxies are thus prime laboratories to study the coevolution
of supermassive black holes and the extreme starbursts hosted by the molecular environ-
ments at early cosmic epochs. The observations presented here thus provide an important
foundation for future studies of normal galaxies at high redshifts with the Atacama Large
Millimeter Array (ALMA).vi Abstract
Molekulares Gas ist der Treibstoff fu¨r Sternentstehung, weshalb es von großer Wichtigkeit
fu¨r unser Bild von der Entstehung und Entwicklungsgeschichte von Quasaren ist, die
molekulare Komponente in den Muttergalaxien der am weitesten entfernten Objekte im
Detail zu untersuchen. In dieser Doktorarbeit werden die technologischen Neuerungen der
gr¨oßten Radio- und Millimeterteleskope genutzt um einige der wichtigsten Eigenschaften
des molekularen interstellaren Mediums in hoch rotverschobenen Quasaren genauer zu
studieren,undineinemevolution¨aren,galaxientyp-undleuchtkraftabh¨angigenKontextder
Sternentstehung zu begutachten. Die CO(J=1→0) Linie wurde zum ersten Mal erfolgre-
ich in hochrotverschobenen Galaxien hochau߬osend spektroskopiert, um die Gesamtmasse
des molekularen Gases zu bestimmen. Eine Erweiterung dieser Studie auf andere moleku-
lare Indikatoren fu¨hrt zu mehr als einer Verdopplung der im fru¨hen Universum bekannten
Moleku¨le [5 statt bisher 2 (CO/HCN)]. Alle Indikatoren sagen miteinander konsistente
Sternentstehungsraten in hoch rotverschobenen Quasaren voraus, und keines der Moleku¨le
scheint ein klar bevorzugter Indikator zu sein. Im Zusammenwirken mit zwei anderen Stu-
dien ergibt sich der Befund daß Sternentstehung in weit entfernten, sehr gasreichen Galax-
ien mit einer h¨oheren Effizienz vonstatten geht als in anderen Galaxien, was vermutlich
miteinerh¨oheren mittlerenDichte desGasesindiesen Systemen zusammenh¨angt. Ineiner
auf diesen Ergebnissen aufbauenden, zeitaufwendigen Interferometerstudie ist es ausser-
dem zum ersten Mal gelungen die Muttergalaxien von Quasaren bei z>4 sowohl r¨aumlich
′′(auf Skalen von bis zu 0.15 , oder 1.0kpc) als auch dynamisch (in Geschwindigkeitsinter-
vallen entlang einer molekularen Emissionslinie) aufzulo¨sen. Die Karten zeigen daß die
molekularen Reservoirs in diesen Galaxien reichhaltige Strukturen aufweisen. bestimmten
dynamischen Massen sind in Einklang mit der Summe der Massen des zentralen schwarzen
Lochs und der Gas- und Staubreservoirs, allerdings nicht groß genug um einen stellaren
Bulge von der Masse zu enthalten, wie sie von der Beziehung zwischen der Masse des
schwarzen Loches und der Geschwindigkeitsdispersion des Bulges in Galaxien im lokalen
Universum vorausgesagt wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, daß diese weit ent-
fernten Galaxien erstklassige Laboratorien fu¨r Studien der Entstehung und Entwicklung
supermassiver schwarzer L¨ocher und extremer Starbursts im fru¨hen Universum sind. Die
hiergezeigtenBeobachtungenbildendieGrundlagefu¨rzuku¨nftigeStudiennormalerGalax-
ien bei hohen Rotverschiebungen mit dem Atacama Large submillimeter/Millimeter Array
(ALMA).Danksagung/Acknowledgments
¨(Eine deutsche Fassung folgt in Anschluß an die englische Ubersetzung)
ThereareanumberofpeoplethatIwouldliketothankforcontributingtothesuccessful
completion of this thesis. First, I would like to thank Fabian Walter and Hans-Walter Rix
for agreeing to supervise my PhD thesis at MPIA. In particular, I want to express my
gratitude toward Fabian for introducing me to this extremely exciting field of astronomy,
and for always taking the time to explain things when necessary. I am also very grateful
for the freedom that I had in carrying out my research over the past years, while still
keeping the production of results in focus. This thesis, and the picture of science I have
developedoverthepastfewyears,wouldnotbethesamewithoutFabian’ssupport. Special
thanks go to Chris Carilli for his ideas and always insightful, to the point comments on
this work. I would also like to thank Axel Weiß for introducing me to the world of LVG
modeling, to observing with the 30m, and for many helpful comments on the different
projects we worked on together. I also would like to take the opportunity to thank my
other collaborators on the different research projects, in particular Frank Bertoldi, Pierre
Cox,RobertoNeri,KirstenK.Knudsen,ChristianHenkel,GeraintLewis,BrendonBrewer,
KarlMenten,K.Y.Lo,MinYun,NickScoville, JohannesStaguhn,DominicBenford,Todd
Hunter, Jaron Kurk, Xiaohui Fan, Laura Pentericci, Marianne Vestergaard, and Michael
Strauss, for their contributions. I am also grateful for many helpful scientific discussions
with a number of people, in particular Dennis Downes, Phil Solomon, Yu Gao, Rob Ivison,
and Desika Narayanan.
I would like to thank a number of people for their hospitality during my visits to their
institutions, in particular Glen Langston and Ron Maddalena at NRAO Green Bank, Jeff
Wagg and Ran Wang at NRAO Socorro, Anneila Sargent, Andrew Blain, and Thomas
Greve at Caltech, John Mulchaey, Francois Schweizer and Juna Kollmeier at Carnegie,
Crystal Martin and Omer Blaes at UC Santa Barbara, Dave Sanders at IfA Honolulu, and
David Wilner at CfA/Harvard-Smithsonian.
On a private side, I would like to thank my family for their continuous support and
encouragement, in particular my parents, Annegret and Heinz-Hermann, and my brother,
Patrick. I may move to the other end of the world, but I will always remember where I
come from! I would like to thank Vernesa for a lot of things, but mostly for being who you
are - hvala lijepa na svemu! It’s more than good to know that you will be in Pasadena.
There are a number of people whom I have met in the past three years that have grownviii Acknowledgments
on me, in particular Isabel (Adi´os, te voy a extran˜ar - remember summer 2004? Es war
sehr sch¨on,...), Antje (I guess dialing your number outspeeds ringing your doorbell now.
Remember to come visit!), Monika (Thanks for having both a good taste in music and
for the right kind of sports. Fingers crossed that everything runs smoothly for you at the
beginning of next year!), MH (Drink a beer for me next Quebec day!), and Flo (“Vienna”
is not only the name of a good song.). This is not to forget my old friends from Bonn and
at the rest of the world, most importantly Kalle (One sentence on Tokyo: I’ll be back!),
Martin (Let’s take a direct flight next time.), Tilo (Always fun to visit you guys!), Sven
(Whathappened toDMparties?), andWoody(HopeI’llmanagetocometoSydney before
you finish...). You guys have to come visit!
Hiermit m¨ochte ich mich bei allen Menschen bedanken die zum erfolgreichen Abschluß
dieser Doktorarbeit beigetragen haben.
Als erstes m¨ochte ich Fabian Walter und Hans-Walter Rix dafu¨r danken, daß sie
die Betreuung meiner Doktorarbeit am MPIA u¨bernommen haben. Mein besonderer
Dank gilt Fabian dafu¨r, daß er mich an dieses extrem interessante Gebiet der Astronomie
herangefu¨hrt hat, und sich die Zeit genommen hat Dinge zu erkl¨aren wann immer die
Notwendigkeit bestand. Desweiteren bin ich sehr dankbar fu¨r die Freir¨aume die mir bei
der Durchfu¨hrung meiner wissenschaftlichen Arbeit gelassen wurden, wobei zugleich zu je-
dem Zeitpunkt das Ziel erkennbar blieb. Ohne Fabians Unterstu¨tzung w¨aren diese Arbeit
undmeinVerst¨andnisvonWissenschaftnichtaufdemgegenw¨artigenNiveau. Hervorheben
m¨ochte ich auch die Zusammenarbeit mit Chris Carilli, da er stets mit guten Ideen und
aufschlußreichen, pr¨azisen Kommentaren zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen hat. Mein
DankgiltauchAxel Weiß, dermirdieWeltdesLVG-Modellierens unddasBeobachten mit
dem 30m n¨aher gebracht hat, und viele sehr hilfreiche Kommentare zu unseren gemein-
samen Projekten gegeben hat. An dieser Stelle m¨ochte ich auch meinen anderen Kollegen
danken, die in den verschiedenen Projekten involviert waren und zu ihrem Gelingen beige-
tragenhaben,insbesondere FrankBertoldi, PierreCox, RobertoNeri,KirstenK.Knudsen,
Christian Henkel, Geraint Lewis, Brendon Brewer, Karl Menten, K. Y. Lo, Min Yun, Nick
Scoville, Johannes Staguhn, Dominic Benford, Todd Hunter, Jaron Kurk, Xiaohui Fan,
Laura Pentericci, Marianne Vestergaard, und Michael Strauss. Sehr hilfreich waren auch
die Diskussionen mit anderen Kollegen, insbesondere Dennis Downes, Phil Solomon, Yu
Gao, Rob Ivison, and Desika Narayanan.
Als n¨achstes m¨ochte ich einigen Personen fu¨r ihre Gastfreundschaft w¨ahrend meiner
Aufenthalte an ihren Institutionen danken. Dies sind insbesondere Glen Langston und
Ron Maddalena bei NRAO Green Bank, Jeff Wagg, und Ran Wang bei NRAO Socorro,
Anneila Sargent, Andrew Blain, und Thomas Greve am Caltech, John Mulchaey, Fran-
cois Schweizer, und Juna Kollmeier bei Carnegie, Crystal Martin und Omer Blaes an der
UC Santa Barbara, Dave Sanders am IfA Honolulu, und David Wilner am CfA/Harvard-
Smithsonian Center.
AufprivaterSeitem¨ochteichmeinerFamiliefu¨rihredauerhafteUnterstu¨tzungdanken,
insbesonderemeinenElternAnnegretundHeinz-HermannundmeinemBruderPatrick. Ich
werde zwar demn¨achst am anderen Ende der Welt wohnen, aber ich werde mich immerAcknowledgments ix
meiner Wurzeln entsinnen. Ganz besonders m¨ochte ich auch Vernesa danken - hvala lijepa
na svemu, und bleib’ wie du bist! Ich finde es sch¨on und gut daß du auch nach Pasadena
kommst. Ich m¨ochte mich auch bei den anderen Menschen bedanken, die ich w¨ahrend
der vergangenen drei Jahre kennen und sch¨atzen gelernt habe, insbesondere bei Isabel
(Adi´os, te voy a extran˜ar - remember summer 2004? Es war sehr sch¨on,...), Antje (Okay,
anrufen geht jetzt schneller als klingeln. Denk’ dran mich zu besuchen.), Monika (Thanks
for having both a good taste in music and for the right kind of sports. Fingers crossed
that everything runs smoothly for you at the beginning of next year!), MH (Drink a beer
for me next Quebec day!), und Flo (Wien war wunderbar.). Natu¨rlich m¨ochte ich hier
auch nicht meine alten Freunde aus Bonn und nicht unmittelbarer Umgebung vergessen.
Aus diesem Kreis m¨ochte ich insbesondere Kalle (Tokyo wird mich wiedersehen!), Martin
(N¨achstes Mal stimme ich fu¨r den Direktflug.), Tilo (Es ist immer wieder eine Freude euch
zu besuchen!), Sven (Wir mu¨ssen mal wieder auf ne DM Party!), und Woody (Werde es
hoffentlich nochmal nach Sydney schaffen...) danken - ich hoffe wir sehen uns bald mal
wieder!x Acknowledgments