The gas and dust properties of nearby and cosmic noon galaxies

Abstract

Understanding galaxy evolution requires characterizing the interstellar medium (ISM), where star formation and nuclear activity regulate the growth of galaxies. In dusty systems, ultraviolet and optical radiation from young stars and active galactic nuclei (AGN) is absorbed by dust and re-emitted in the infrared. Infrared spectroscopy therefore provides key diagnostics of obscured star formation, gas excitation, dust processing, and AGN activity. This thesis investigates the gas and dust properties of nearby and cosmic-noon galaxies using mid- and far-infrared spectroscopy. It focuses on nearby luminous infrared galaxies (LIRGs) from the GOALS survey and main-sequence star-forming galaxies at (z~1) from the JWST/MIRI PAHSPECS survey. The first part presents a spatially resolved analysis of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) emission and photoelectric heating efficiency in nearby LIRGs using Spitzer/IRS and Herschel/PACS observations. PAH band ratios vary systematically with galactocentric distance, revealing changes in PAH charge and size that are hidden in galaxy-integrated measurements. In AGN-hosting galaxies, the strongest AGN produce signatures of PAH processing beyond the nucleus, while the photoelectric heating efficiency generally increases toward the extended disks. The second part investigates the ionized and neutral gas using infrared fine-structure and cooling-line ratios together with photoionization models. Starburst-dominated galaxies show radial changes in ionization conditions, while gas density, stellar age, and metallicity remain comparatively stable. The analysis also demonstrates that mid-infrared diagnostics alone may yield misleading estimates of the ionization parameter, whereas far-infrared tracers, particularly [C II], are essential for constraining the multiphase ISM. In the strongest AGN systems, nuclear activity affects gas excitation out to several kiloparsecs. The final part examines PAH emission in (z~1) galaxies with JWST/MIRI. Their PAH band ratios differ from those of nearby LIRGs, suggesting an ionized PAH population weighted toward smaller grains. Despite these differences, the 7.7 PAH luminosity remains consistent with local PAH–star-formation-rate relations. Overall, this thesis shows that star formation and AGN activity shape gas and dust properties over kiloparsec scales, while cosmic-noon galaxies exhibit PAH properties distinct from nearby infrared-luminous systems. These results provide an important benchmark for future high-resolution studies of the ISM across cosmic time.

Η κατανόηση της εξέλιξης των γαλαξιών απαιτεί τη μελέτη του μεσοαστρικού μέσου (ISM), όπου η αστρογένεση και η πυρηνική δραστηριότητα ρυθμίζουν την ανάπτυξη των γαλαξιών. Σε συστήματα πλούσια σε σκόνη, η υπεριώδης και οπτική ακτινοβολία από νεαρά άστρα και ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (AGN) απορροφάται από τη σκόνη και επανεκπέμπεται στο υπέρυθρο. Επομένως, η υπέρυθρη φασματοσκοπία παρέχει βασικά διαγνωστικά εργαλεία για τη συγκαλυμμένη αστρογένεση, τη διέγερση του αερίου, την επεξεργασία της σκόνης και τη δραστηριότητα AGN. Η παρούσα διατριβή διερευνά τις ιδιότητες του αερίου και της σκόνης σε κοντινούς γαλαξίες και γαλαξίες της εποχής του cosmic noon, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία στο μέσο και μακρινό υπέρυθρο. Εστιάζει σε κοντινούς φωτεινούς υπέρυθρους γαλαξίες (LIRGs) από την επισκόπηση GOALS και σε γαλαξίες αστρογένεσης της κύριας ακολουθίας στο (z~1) από την επισκόπηση JWST/MIRI PAHSPECS. Το πρώτο μέρος παρουσιάζει μια χωρικά επιλυμένη ανάλυση της εκπομπής πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (PAH) και της απόδοσης φωτοηλεκτρικής θέρμανσης σε κοντινούς LIRGs, χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις από τα Spitzer/IRS και Herschel/PACS. Οι λόγοι των ζωνών PAH μεταβάλλονται συστηματικά με τη γαλακτοκεντρική απόσταση, αποκαλύπτοντας μεταβολές στο φορτίο και το μέγεθος των PAH, οι οποίες δεν είναι εμφανείς σε μετρήσεις ολοκληρωμένες σε ολόκληρο τον γαλαξία. Σε γαλαξίες που φιλοξενούν AGN, οι ισχυρότεροι AGN προκαλούν ενδείξεις επεξεργασίας των PAH πέρα από τον πυρήνα, ενώ η απόδοση φωτοηλεκτρικής θέρμανσης γενικά αυξάνεται προς τους εκτεταμένους δίσκους. Το δεύτερο μέρος εξετάζει το ιονισμένο και ουδέτερο αέριο, χρησιμοποιώντας λόγους λεπτοδομικών γραμμών και γραμμών ψύξης στο υπέρυθρο, σε συνδυασμό με μοντέλα φωτοϊονισμού. Οι γαλαξίες που κυριαρχούνται από starburst παρουσιάζουν ακτινικές μεταβολές στις συνθήκες ιονισμού, ενώ η πυκνότητα του αερίου, η ηλικία του αστρικού πληθυσμού και η μεταλλικότητα παραμένουν συγκριτικά σταθερές. Η ανάλυση δείχνει επίσης ότι τα διαγνωστικά του μέσου υπερύθρου από μόνα τους μπορεί να οδηγήσουν σε παραπλανητικές εκτιμήσεις της παραμέτρου ιονισμού, ενώ οι ιχνηθέτες του μακρινού υπερύθρου, και ιδιαίτερα η γραμμή [C II], είναι απαραίτητοι για τον περιορισμό των ιδιοτήτων του πολυφασικού ISM. Στα ισχυρότερα συστήματα AGN, η πυρηνική δραστηριότητα επηρεάζει τη διέγερση του αερίου σε αποστάσεις αρκετών kiloparsec. Το τελευταίο μέρος εξετάζει την εκπομπή PAH σε γαλαξίες στο (z~1) με το JWST/MIRI. Οι λόγοι των ζωνών PAH διαφέρουν από εκείνους των κοντινών LIRGs, υποδεικνύοντας έναν ιονισμένο πληθυσμό PAH με μεγαλύτερη συνεισφορά από μικρότερους κόκκους. Παρά τις διαφορές αυτές, η φωτεινότητα της ζώνης PAH στα 7.7 μm παραμένει συμβατή με τις τοπικές σχέσεις μεταξύ PAH και ρυθμού αστρογένεσης. Συνολικά, η παρούσα διατριβή δείχνει ότι η αστρογένεση και η δραστηριότητα AGN διαμορφώνουν τις ιδιότητες του αερίου και της σκόνης σε κλίμακες kiloparsec, ενώ οι γαλαξίες της εποχής του cosmic noon παρουσιάζουν ιδιότητες PAH διαφορετικές από εκείνες των κοντινών φωτεινών υπέρυθρων συστημάτων. Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν σημαντικό σημείο αναφοράς για μελλοντικές μελέτες υψηλής χωρικής ανάλυσης του ISM σε όλη την κοσμική ιστορία.