Illuminando il lato oscuro dell'Universo: nuovi indizi sulla formazione delle galassie tramite il progetto ALPINE

The last few years have seen incredible improvements in our knowledge of the distant Universe. Plenty of studies provided important clues on the formation and assembly of primordial sources by looking at their observed-frame optical and near-infrared (NIR) emission, tracing the ultra-violet (UV) light arising from new-born stars that is not hidden behind the curtains of dust within the galaxies. These works led to an accurate yet incomplete picture of the early Universe which manifests itself in a sharp rise of the cosmic star-formation rate density (SFRD) from within the epoch of Reionization to the cosmic noon. Although several mechanisms were proposed to explain the rapid build-up of galaxies at z>3, they were biased against the amount of star formation (SF) obscured by the dust, missed by rest-frame UV/optical surveys. Many attempts at constraining the dust-hidden component of the SFRD at z>4 are presented in the literature. However, most of them are based on individual detections of highly dust-obscured submillimeter galaxies, not being representative of the bulk of the galaxy population at high redshift. The advent of the ALMA interferometer has paved the way for a more in-depth description of the processes that regulate the SFRD evolution, thanks to the identification of very dusty primordial galaxies. The game changer has came with the ever increasing high-z ALMA detections of the [CII] 158 um line, the dominant coolant in the spectra of star-forming galaxies (SFGs). Previous observations of [CII] in normal galaxies, up to the epoch of HI reionization, provided the foundation for the ALPINE project. This revolutionary survey was designed with the aim of measuring the rest-frame FIR emission of a representative sample of z>4 SFGs through the detection of [CII] and the surrounding continuum, to study their dust and gas properties and to understand how such galaxies evolve over cosmic time. The aim of this thesis is to investigate the mechanisms responsible for the galaxy build-up, and to shed light on the dusty sources hiding in the early Universe, in order to add a significant piece of information to the tangled picture of the formation and evolution of galaxies. To achieve this goal, we made use of ALPINE data to study the properties of dust and cold gas in primordial galaxies at 4<6. On one side, we linked multi-wavelength observations from optical/NIR telescopes to the rest-frame FIR emission detected by ALMA to make a census of completely dust-obscured sources in the distant Universe. In this way, we can provide an unbiased view of the total (UV+FIR) amount of SF at z~5. On the other side, we took advantage of the [CII] emission to retrieve the morphological and kinematic status of the ALPINE galaxies. We used that information to identify major mergers in the sample, and to assess their relative contribution, along with SF, in the process of galaxy mass-assembly at different ages. Our analysis suggests that in-situ SF is the dominant process in the build-up of galaxies at all epochs, although mergers may have provided a significant contribution under well-defined circumstances. Finally, we tested [CII] as another independent tool to estimate the global SFR at high redshift, finding that this atomic line could still be a good tracer of SF at z~5. The results of this thesis, along with those by the ALPINE collaboration, allowed us to increase our current knowledge of the early phases of galaxy formation. Yet, thorough investigations of the mechanisms ruling the evolution of primordial structures across cosmic time are needed in order to confirm our findings. Future observations will allow us to unearth the population of very dusty galaxies at the dawn of the Universe, setting further constraints on the overall budget of SF at early times and on the physics conditioning the star-formation history, providing a complete and unbiased view of the cosmos.

Negli ultimi anni, diversi studi hanno fornito importanti indizi sulla formazione e assemblaggio delle sorgenti primordiali tramite osservazioni della loro emissione ottica e nel vicino infrarosso (NIR), che tracciano la luce ultravioletta (UV) prodotta da stelle appena nate che riesce a fuggire dalle coltri di polvere che le circondano. Questi lavori hanno fornito un quadro accurato ma incompleto dell'Universo, che vede un veloce aumento della densità del tasso di formazione stellare (SFRD) dall'epoca della reionizzazione al cosiddétto mezzogiorno cosmico. Sebbene siano stati proposti diversi meccanismi di formazione delle galassie a z>3, essi non tengono conto della quantità di formazione stellare (SF) oscurata dalla polvere, che non viene osservata da telescopi ottici. In letteratura, sono presenti numerosi tentativi di vincolare la componente oscurata dello SFRD a z>4. Tuttavia, la maggior parte di essi si basa su rilevamenti individuali di galassie submillimetriche altamente oscurate, che non rappresentano la maggioranza delle galassie ad alto redshift. L'avvento dell'interferometro ALMA ha permesso di ottenere una descrizione più approfondita dei processi che regolano l'evoluzione dello SFRD, grazie all'identificazione di galassie primordiale molto polverose. La svolta è arrivata con le sempre maggiori rilevazioni di ALMA della riga del [CII] a 158 um, il mezzo di raffreddamento principale delle galassie che formano stelle (SFGs). Precedenti osservazioni di [CII] in galassie comuni, fino all'epoca della reionizzazione dell'HI, hanno fornito le basi per il progetto ALPINE. Questo programma rivoluzionario è stato ideato con l'obiettivo di misurare l'emissione nel lontano infrarosso (FIR) di un campione rappresentativo di SFGs a z>4 attraverso la rilevazione del [CII] e del continuo circostante, così da studiarne le proprietà della polvere e del gas, e capire come tali galassie evolvono nel tempo. Lo scopo di questa tesi è quello di indagare i meccanismi responsabili della formazione delle galassie e le sorgenti polverose che si nascondono nell'Universo primordiale, così da aggiungere un'informazione significativa al complicato puzzle della formazione ed evoluzione delle galassie. A tal fine, abbiamo utilizzato i dati ALPINE per studiare le proprietà della polvere e del gas freddo in galassie primordiali a 4<6. Da un lato, abbiamo collegato le osservazioni a più lunghezze d'onda da telescopi ottici/NIR all'emissione nel FIR rilevata da ALMA per fare un censimento delle sorgenti completamente oscurate dalla polvere nell'Universo lontano. In questo modo, possiamo fornire una stima completa della SF totale (UV+FIR) a z~5. Dall'altro lato, abbiamo sfruttato l'emissione del [CII] per ricavare la morfologia e la cinematica delle galassie ALPINE. Abbiamo usato queste informazioni per identificare major merger e per valutarne il contributo al processo di assemblaggio delle galassie, in relazione a quello della SF. La nostra analisi suggerisce che la SF sia il processo dominante nella formazione delle galassie a tutte le epoche, sebbene i merger possano aver fornito un contributo significativo sotto determinate assunzioni. Infine, abbiamo testato il [CII] come uno strumento indipendente per stimare lo SFR globale ad alto redshift, trovando che tale transizione può ancora essere considerata un buon tracciante della SF a z~5. I risultati di questa tesi, insieme a quelli della collaborazione ALPINE, ci hanno permesso di aumentare la nostra conoscenza delle prime fasi di formazione delle galassie. Tuttavia, sono necessarie ulteriori indagini sui meccanismi che governano l'evoluzione delle strutture primordiali attraverso il tempo cosmico. Osservazioni future ci permetteranno di caratterizzare la popolazione di galassie molto polverose all'alba dell'Universo, ponendo ulteriori vincoli al bilancio complessivo di SF e ai processi fisici che hanno condizionato l'Universo lontano, fornendo una visione comple