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Dissertation 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
Licenciado D. Aday Robaina Rapisarda
born in Las Palmas de Gran Canaria, Spain
Oral examination: 25th February 2010Eight Gigayears of
of
Galaxy Mergers
Referees: Prof. Dr. Eric F. Bell
Prof. Dr. Klaus Meisenheimeri
Abstract
Galaxy interactions are expected to play a crucial role in the build–up of stellar mass in any
cold dark matter cosmology. Of particular interest are the mergers between systems of a
comparable mass, as they are predicted to be one of the main modes of galaxy growth and
have a crucial impact in the shaping of galaxy morphologies and dynamics. In this thesis
I study two key aspects of the role that mergers play in galaxy evolution: a)What is the
contribution of major galaxy interactions to the star formation history of the Universe at
z <1?, and b) How important are galaxy interactions for the build–up of the massive end of
theredsequence? ToanswerthefirstquestionIusephotometricredshifts,stellarmassesand
UVstarformationratesfromCOMBO-17,24μmstarformationratesfrom Spitzerandgalaxy
morphologiesfrom two deep Hubble Space Telescope cosmologicalsurvey fields to study the
enhancement in star formation activity as a function of galaxy separation. I apply robust
statistical toolsto find galaxies inclose pairs, augmented withmorphologically-selectedvery
close pairs (unresolved in the ground-based photometry) and merger remnants from the
HubbleSpaceTelescopeimaging,findingthat,onaverage,majorgalaxyinteractionsbetween
10galaxies more massive than 10 M at 0.4 < z < 0.8 enhance the star formation activity by⊙
a factor of less than 2. I carry out detailed modeling of the methodology using a mock
galaxy catalog from the Millenium Simulation, finding that in the regime applicable to this
work the recovered enhancement in SF rate is accurate to better than 10%, smaller than
the other sources of uncertainty. Accounting for the fraction of merging and interacting
systems, I integrate the enhanced star formation to demonstrate that less than 10% of star
formation activity is directly triggered by those interactions. To answer the second question
I look for close pairs of galaxies on a sample drawn from the COSMOS and COMBO–17
10galaxy surveys to find that the fraction of M > 5×10 M galaxies in close pairs (a proxy∗ ⊙
for the fraction of objects involved in an interaction) were more common 7 Gyrs ago by a
factor ∼ 2. By converting this merger fraction to a merger rate I estimate that 70% of the
11very massive galaxies (M > 10 M ) have undergone a merger since z = 1.2. This merger∗ ⊙
rate is sufficient to explain the observed number density evolution of such massive galaxies
in the last 7 Gyrs. Merging plays, therefore, a dominant role in the formation of massive
galaxies in the Universe.ii
Zusammenfassung
Es wird erwartet, dass Wechselwirkungen zwischen Galaxien in jeder, auf kalter dunkler
Materie aufbauenden Kosmologie eine entscheidende Rolle beim Aufbau stellarer Masse
spielen. Von besonderem Interesse sind Verschmelzungen von Systemen ¨ahnlicher Masse.
Fu¨r diese wird vorhergesagt, einen der Hauptmechanismen fu¨r das Wachstum von Galaxien
darzustellen und einen entscheidenden Beitrag zu leisten Morphologie und Dynamik
von Galaxien zu formen. In dieser Arbeit untersuche ich zwei Schlu¨sselaspekte von
Verschmelzungen in Bezug auf Galaxienentwicklung: a) Was ist der Beitrag der Wechsel-
wirkungenvonGalaxien¨ahnlicherMassezurSternentstehungsgeschichtedesUniversumsbei
z< 1?, und b) Wie wichtig sind Wechselwirkungen zwischen Galaxien um den massereichen
Teil der “roten Sequenz” aufzubauen? Um die erste Frage zu beantworten benutzte
ich photometrische Rotverschiebungen, stellare Massen und UV Sternentstehungsraten
von COMBO–17, 24μm Sternentstehungsraten von Spitzer und Galaxienmorphologien
von zwei tiefen kosmologischen Durchmusterungsfeldern des Hubble Weltraumteleskops,
um die Zunahme der Sternentstehungsaktivit¨at als Funktion des Galaxienabstands zu
untersuchen. Ich wende dazu robuste statistische Methoden an, um Galaxien in engen
Paaren zu finden und reichere diese Auswahl mit morphologisch ausgew¨ahlten sehr
engen Paaren (nicht aufgelo¨st in bodengebundener Photometrie) und Galaxien in Nach-
Verschmelzungszust¨anden aus Hubble Weltraumteleskop Aufnahmen an. Damit finde ich,
10dass im Mittel Wechselwirkungen zwischen Galaxien ¨ahnlicher Massen oberhalb von 10 M⊙
bei 0.4 < z < 0.8 die Sternentstehungsaktivit¨at um einen Faktor von weniger als 2 steigern.
Ich fu¨hre detailierte Modelierungen der Methodik unter der Benutzung eines ku¨nstlichen
Galaxienkatalogs aus der Millenium Simulation durch und finde dabei, dass in dem in
dieser Arbeit untersuchten Parameterbereich, die Erho¨hung der Sternentstehungsrate mit
Unsicherheiten kleinerals 10% bestimmtwird, weniger als die anderer Fehlerquellen. Unter
Beru¨cksichtigung des Anteils verschmelzender und wechselwirkender Systeme integriere
ich die erho¨hte Sternentstehungsrate, um zu demonstrieren, dass weniger als 10% der
Sternentstehungsaktivit¨at direkt von solchen Wechselwirkungen hervorgerufen wird. Um
die zweite Frage zu beantworten, betrachte ich enge Galaxienpaare in einer Auswahl aus
den COSMOS und COMBO-17 Galaxiendurchmusterungen und finde, dass der Anteil von
10M > 5×10 M GalaxieninengenPaaren(stellvertretendfu¨rdenAnteilvonObjekten,diean∗ ⊙
Wechselwirkungen beteiligt sind) vor 7 Milliarden Jahren um einen Faktor ∼ 2 gro¨sser war.
Indem ich diesen Anteil der Verschmelzungsprozesse in eine Verschmelzungsrate umwandle
11sch¨atze ich ab, dass 70% der massereichsten Galaxien (M > 10 M ) seit einer Rotver-∗ ⊙
schiebung von z=1.2 an einer Verschmelzung beteiligt waren. Diese Verschmelzungsrate ist
ausreichend um die beobachtete Entwicklung der Anzahldichte solch massereicher Galaxien
in den letzten 7 MilliardenJahren zu erkl¨aren. Galaxienverschmelzungen spielendaher eine
dominierende Rolle in der Entstehung massereicher Galaxien im Universum.To Silvia, my North Starv
I gazed the skies looking for the heaven, but all I found were the devil’s eyes

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