The Evolution of Distant Spiral Galaxies in the FORS Deep Field
Die Entwicklung entfernter Spiralgalaxien im FORS Deep Field
von Asmus Böhm
Datum der mündl. Prüfung:2003-12-05
Erschienen:2004-05-28
Betreuer:Prof. Dr. Klaus J. Fricke
Gutachter:Prof. Dr. Franz Kneer
Dateien
Name:boehm.pdf
Size:3.98Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
This thesis describes the analysis of a data set of 130 spiral galaxies at distances corresponding to look-back times between 1 and 8 Gyrs. Such a sample allows to test the predictions of the hierarchical scenario, according to which small structures have formed first in the early cosmic stages, followed by the successive build-up of larger structures via merging and accretion events. This model is a paradigm of modern astrophysics.All objects analysed in this work are taken from the FORS Deep Field, a sky area that has been observed via deep multi-band imaging with the Very Large Telescope (VLT, Chile). Using spatially resolved VLT spectroscopy, rotation curves (i.e., the rotation velocity as a function of galactocentric radius) are extracted. 77 galaxies show a flat maximum of their rotation velocities at large radii, indicating that - similar to galaxies in the local universe - their mass distributions are dominated by dark matter in the outer parts. Based on the Tully-Fisher relation between maximum rotation velocity and luminosity, the absolute brightnesses of the distant galaxies are compared to galaxies in the local universe. While fast rotating, i.e., high-mass galaxies do not show a significant evolution, the distant low-mass objects are more luminous by up to factor of 6 with respect to their local counterparts. To the contrary, numerical simulations based on the hierarchical scenario either find an increasing luminosity towards higher redshifts for high-mass galaxies, or no correlation at all.Several tests are applied to the observed mass-dependence of the luminosity evolution. It is found that the result cannot be induced by an incompleteness effect, tidal interactions or false assumptions on the intrinsic absorption due to dust. Moreover, it offers an explanation for the discrepancies between previous studies which comprised too small samples to robustly test a mass-dependence. Since slightly smaller disk sizes are found towards higher redshifts - in compliance with the hierarchical scenario -, the deviations between the predicted and observed luminosity evolution are most likely due to a not sufficiently realistic modelling of the stellar (i.e. baryonic) component in the simulations.
Keywords: Spiral Galaxies; Galaxy Evolution; Cold Dark Matter
Weitere Sprachen
In dieser Arbeit wird die Analyse eines Datensatzes von 130
Spiralgalaxien beschrieben, deren Entfernungen einer kosmologischen
Rückblickzeit zwischen 1 und 8 Mrd. Jahren entsprechen. Mit diesem
Sample ist es möglich, die Vorhersagen des sog. hierarchischen
Szenarios zu testen, demzufolge sich im frühen Universum kleine
Strukturen als erste gebildet und durch Verschmelzungsprozesse
sukzessive größere Strukturen aufgebaut haben. Dieses Szenario
stellt ein Paradigma der modernen Astrophysik dar.Alle untersuchten Objekte stammen aus dem FORS Deep Field; einer
Himmelsregion, von der mit dem Very Large Telescope (VLT, Chile)
sehr tiefe Vielfarben-Photometrie gewonnen wurde. Anhand von
räumlich aufgelöster VLT-Spektroskopie werden Rotationskurven (d.h.
die Rotationsgeschwindigkeit als Funktion des Abstandes vom
Galaxienzentrum) extrahiert. 77 Galaxien zeigen die Ausbildung
eines flachen Maximums der Rotationsgeschwindigkeit bei großem
Radius, was - analog zu Galaxien im heutigen Kosmos - auf die
Dominanz einer Massenkomponente aus Dunkler Materie im äußeren
Bereich hindeutet. Mit Hilfe der Tully-Fisher-Relation, in der die
maximale Rotationsgeschwindigkeit und die Leuchtkraft verknüpft
sind, wird die Absoluthelligkeit der entfernten Galaxien mit jener
von heutigen Galaxien verglichen. Während die schnell rotierenden
(d.h. massereichen) Objekte keine signifikante
Helligkeitsentwicklung zeigen, sind die massearmen,
entfernten Galaxien um bis zu einem Faktor 6 leuchtkräftiger als
ihre lokalen (heutigen) Gegenstücke. In numerischen Simulationen
jedoch, die auf dem hierarchischen Szenario basieren, wird entweder
eine Zunahme der Leuchtkraft mit der Rotverschiebung bei
massereichen Galaxien, oder keinerlei Zusammenhang mit der
Masse gefunden.Die beobachtete Massenabhängigkeit der Leuchtkraftentwicklung
wird zahlreichen Tests unterzogen. Hierbei zeigt sich u.a., dass
das Ergebnis nicht durch einen Unvollständigkeitseffekt,
Gezeitenwechselwirkungen oder falsche Annahmen über die
intrinsische Staubabsorption hervorgerufen sein kann. Zudem lassen
sich mit diesem Resultat die Widersprüche zwischen früheren Studien
erklären, deren Datensätze zu klein waren, um eine
Massenabhängigkeit statistisch robust zu untersuchen. Da eine
leichte Abnahme der Scheibengröße mit zunehmender Rotverschiebung
gefunden wird - wie nach dem hierarchischen Szenario zu erwarten -
besteht die wahrscheinlichste Erklärung für die Diskrepanz zwischen
Theorie und Beobachtung im Falle der Leuchtkraftentwicklung in
einer noch unzureichenden Modellierung der Eigenschaften der
stellaren (d.h. baryonischen) Komponente in den Simulationen.
Schlagwörter: Spiralgalaxien; Galaxienentwicklung; Kalte Dunkle Materie