Cosmic-ray feedback in active galactic nuclei and starburst galaxies

Οι υπερμεγέθεις μελανές οπές (Supermassive Black Holes, SMBHs) αποτελούν θεμελιώδεις παράγοντες της εξέλιξης των γαλαξιών. Μέσω μηχανισμών ανάδρασης ρυθμίζουν τον ρυθμό σχηματισμού αστέρων και αναδιαμορφώνουν το μεσοαστρικό μέσο (Interstellar Medium, ISM). Παρότι η ανάδραση με ακτινοβολία από φωτεινά επεισόδια προσαύξησης μάζας είναι σχετικά καθορισμένη, η μηχανική και ιδιαίτερα η μη θερμική επίδραση των πιδάκων μέσω των κοσμικών ακτίνων (Cosmic Rays, CRs) παραμένει λιγότερο ποσοτικοποιημένη. Η παρούσα διατριβή διερευνά την ανάδραση των CRs ως έναν φυσικό σύνδεσμο μεταξύ ενεργών γαλαξιακών πυρήνων (Active Galactic Nuclei, AGN), γαλαξιών με περιοχές σχηματισμού αστέρων και του περιβάλλοντος αερίου, εξετάζοντας πώς οι CRs από πίδακες AGN και από κατάλοιπα υπερκαινοφανών μεταβάλλουν τον ιονισμό, τη θέρμανση και τα φάσματα γραμμών εκπομπής σε κοντινούς γαλαξίες, συνδυάζοντας πολυφασματικές παρατηρήσεις με μοντελοποίηση φωτοϊονισμού. Η ανάλυση επικεντρώνεται σε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα κοντινών συστημάτων, Centaurus A, NGC 1068, NGC 5728, NGC 253 και NGC 1320, που παρατηρήθηκαν με οπτική ολοκληρωμένη φασματοσκοπία πεδίου μέσω του Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) στο Very Large Telescope (VLT). Για τον γαλαξία NGC 5728 αξιοποιούνται επιπλέον παρατηρήσεις μέσης υπέρυθρης (MIR) φασματοσκοπίας από το Mid-Infrared Instrument (MIRI) στο James Webb Space Telescope (JWST). Τα σύνολα δεδομένων αυτά παρέχουν χωρικά επιλυμένες απεικονίσεις των περιοχών γραμμών εκπομπής σε περιβάλλοντα που διαμορφώνονται από πίδακες AGN, περιοχές γύρω από τον πυρήνα με αστρογένεση και αλληλεπιδράσεις πίδακα και μεσοαστρικού μέσου (Interstellar Medium, ISM). Η ερμηνεία βασίζεται σε πλέγματα μοντέλων Cloudy που περιλαμβάνουν ιονισμό και θέρμανση από CRs, καλύπτοντας ευρύ φάσμα τιμών αρχικής πυκνότητας υδρογόνου, ηλιακή μεταλλικότητα και πεδία ακτινοβολίας κατάλληλα για AGN και γαλαξίες με αστρογένεση. Η ενσωμάτωση των CRs εισάγει έναν φυσικά τεκμηριωμένο μη θερμικό όρο θέρμανσης και αποδίδει ποσοτικές προβλέψεις για το πώς ο ιονισμός από CRs μεταβάλλει λόγους οπτικών και MIR γραμμών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αυξημένοι ρυθμοί ιονισμού από CRs αναδιαμορφώνουν σημαντικά την εκπομπή. Ο ιονισμός από CRs δημιουργεί ένα θερμό δευτερογενές, μερικώς ιονισμένο στρώμα σε βάθος εντός του νέφους, το οποίο ενισχύει γραμμές χαμηλού ιονισμού, [N II], [S II], [O I], ενώ αφήνει τις [O III], Hα και Hβ ήπια επηρεασμένες. Καθώς ο ρυθμός ιονισμού από CRs αυξάνεται, τα μοντέλα αναπαράγουν τις περιοχές Seyfert και LINER στα διαγράμματα Baldwin, Phillips και Terlevich (BPT) για ηλιακή μεταλλικότητα, μειώνοντας την ανάγκη για υπερ-ηλιακές μεταλλικότητες. Για να ληφθεί υπόψη ο ιονισμός από CRs, η εργασία ορίζει ένα αναθεωρημένο μέγιστο όριο για τις περιοχές με αστρογένεση, SFζ, στον χώρο των διαγραμμάτων BPT. Το όριο αυτό περιγράφει περιοχές που αναπαράγονται από αστρογένεση σε συνδυασμό με ιονισμό από CRs. Επιπλέον, η διατριβή αξιολογεί την επίδραση των CRs στον ιονισμό νεφών αερίου, συνδυάζοντας χωρικά αντιστοιχισμένη οπτική (VLT/MUSE) και μέση υπέρυθρη (MIR, JWST/MIRI) φασματοσκοπία με μοντέλα Cloudy για τον NGC 5728. Στο MIR, οι CRs ενισχύουν γραμμές χαμηλού ιονισμού, όπως [Ne II] και [Ar II], ενώ οι κλασικές μεταπτώσεις υψηλού ιονισμού, όπως [Ne V], [Ar V] και [O IV], παραμένουν κυρίως εξαρτημένες από φωτοϊονισμό AGN. Στον NGC 5728, η συνδυαστική ανάλυση στο οπτικό και MIR καταλήγει σε λόγους γραμμών εκπομπής συμβατούς με αυξημένους ρυθμούς ιονισμού από CRs, ιδίως σε περιοχές που επηρεάζονται από πίδακες. Βασιζόμενη σε αυτά τα αποτελέσματα, η διατριβή προτείνει ένα σύνολο διαγνωστικών διαγραμμάτων MIR και υβριδικών οπτικών-MIR που απομονώνουν τη συνεισφορά των CRs. Ειδικότερα, λόγοι που κατασκευάζονται από γραμμές χαμηλού ιονισμού μετατοπίζονται με την αύξηση του ρυθμού ιονισμού από CRs και λειτουργούν ως ιχνηλάτες του ιονισμού από CRs, ενώ οι μεταπτώσεις υψηλού ιονισμού παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ελεγχόμενες από τον φωτοϊονισμό AGN και συνεχίζουν να ανιχνεύουν τη σκληρότητα του πεδίου ακτινοβολίας. Επιπλέον, τα υβριδικά οπτικά-MIR διαγράμματα μπορούν να συμβάλουν στη διάκριση της συνεισφοράς των CRs από εκείνη των κρουστικών κυμάτων υπό συγκεκριμένες φυσικές συνθήκες, σε ένα ευρύ φάσμα ρυθμών ιονισμού από CRs, για χαμηλές έως μέτριες πυκνότητες αερίου και σταθερή μεταλλικότητα. Σε αυτό το καθεστώς, παρότι και οι δύο μηχανισμοί αυξάνουν τον λόγο [O I]/Hα, η συμπερίληψη λόγων MIR αναδεικνύει διαφορετικές τάσεις δρώντας συνεπικουρικά στην άρση των σχετικών εκφυλισμών. Συνολικά, η διατριβή εισάγει διαγνωστικά ευαίσθητα στις CRs στο οπτικό και στο MIR, συμπεριλαμβανομένου ενός αναθεωρημένου ορίου μέγιστης αστρογένεσης που εφαρμόζεται σε περιβάλλοντα όπου οι CRs είναι παρούσες. Μαζί, οι παρατηρήσεις με χωρική πληροφορία και τα πλέγματα Cloudy καθιερώνουν τις CRs, από πίδακες AGN και υπερκαινοφανείς, ως έναν δίαυλο ανάδρασης που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ερμηνεία της εκπομπής από νέφη αερίου. Η παράλειψη του ιονισμού από CRs μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένη ταξινόμηση των μηχανισμών διέγερσης και σε μεροληπτικές εκτιμήσεις θεμελιωδών παραμέτρων. Το πλαίσιο που αναπτύσσεται προσφέρει έναν δρόμο για την αναγνώριση και ποσοτικοποίηση της ανάδρασης των CRs στους γαλαξίες.