Multiwavelength analysis of high-redshift far-IR galaxies detected by the Herschel space observatory in the South ecliptic pole field

In the last years, more and more studies demonstrated the existence of a coevolution between active galactic nuclei and host galaxies. Starbursts are often accompanied by an enhanced nucleus activity and the physical properties of the two physical mechanisms seems to be correlated. Given the dusty nature of the region in which such mechanisms take place, their direct observation is strongly affected by extinction. The hidden UV and optical emission has been for a long time a big limitation to these studies for both the difficulty in detecting a consistent fraction of such sources and for the estimation of their intrinsic emission. However, the energy absorbed at shorter wavelengths is re-emitted by the heated dust, in the mid and far infrared (MIR and FIR). In this picture, the observations obtained with the Herschel and Spitzer space observatories play a major role. Exploring the spectral region spanning from the peak of stellar emission to the peak of dust emission, they allow to constrain the total amount of energy emitted by the underlying physical mechanisms and, consequently, their relative and absolute strength. Herschel and Spitzer observations are however necessary but not sufficient for these kind of studies. Reliable photometric redshifts can only be computed with a good spectra coverage at optical wavelengths. Moreover, when studying the AGN activity, keeping into account the mid-IR spectral region, where the dusty torus emission dominates, become crucial. The mid-IR spectral region can be explored, e.g. by the Akari space observatory With the work summarized in this thesis, we contributed to the study of the connection between AGN and host galaxy under different aspects. Our analysis focuses on the south ecliptic pole (SEP) area, that given its position, is subject to a low cirrus emission. First, we reduced a large dataset of optical images taken in the SEP field. The resulting mosaics are now available for further studies both in the same and different topics. Second, starting from our optical images, and other pubblicly and private available images and catalogs, we built a multiwavelength catalog of sources covering 7 square degrees in the SEP area. The photometric coverage of this catalog spans from the optical to the far-IR of the Herschel-SPIRE bands. Spitzer-IRAC and MIPS bands, beside Akari-IRC observations are also included. This catalog is already available for the scientific community. Our third contribution to the research in this field is represented by our analysis on a sub-sample of far-IR selected sources. Using SED fitting techniques, we analyzed the main properties of these galaxies (redshifts, stellar masses, star formation and AGN activity). Then we studied the contribution of each single physical mechanism (stars, AGN, star formation) to the total emission at different wavelengths. Finally we discussed the relations among these properties. Our multiwavelength results complement literature analysis undertaken in the X-rays, pointing toward the existence of a double ``main sequence'', one in the stellar mass (M*) versus SFR space and the other in the M* versus black hole accretion rate (BHAR) space. We conclude with the estimation of the M*-BHAR main sequence slope at z<0.5.

Negli ultimi anni, sempre più studi hanno dimostrato l'esistenza di una co-evoluzione tra nuclei galattici attivi e galassie ospiti. Fenomeni di starburst sono spesso accompagnati da una incrementata attività nucleare e le proprietà dei due meccanismi fisici sembrano essere correlate. Data la natura polverosa delle regioni nelle quali questi meccanismi si manifestano, l'osservazione diretta è fortemente influenzata dall'estinzione. L'emissione UV ed ottica nascosta ha costituito per lungo tempo una grande limitazione a questi studi sia per la difficoltà nella rilevazione di una frazione consistente di queste sorgenti, sia per per la stima della loro estinzione intrinseca. Comunque, l'energia assorbita a lunghezze d'onda minori è riemessa dalla polvere riscaldata, nel medio e lontano infrarosso (MIR e FIR). In questo contesto, le osservazioni ottenute con gli osservatori spaziali Herschel e Spitzer giocano un ruolo predominante. Esplorando le regioni spettrali tra il picco di emissione stellare ed il picco di emissione delle polveri, essi permettono di stimare la quantità totale di energia emessa dai meccanismi fisici coinvolti e, conseguentemente, la loro importanza relativa ed assoluta. Le osservazioni Herschel e Spitzer sono comunque necessarie ma non sufficienti per questo tipo di studi. Redshift fotometrici affidabili possono essere calcolati solo con una buona copertura spettrale alle lunghezze d'onda dell'ottico. Inoltre, nello studio dell'attività AGN, tenere in considerazione la regione spettrale del medio IR, dove domina l'emissione del toro di polveri, diventa cruciale. La regione spettrale del medio IR può essere indagata e.g. dall'osservatorio spaziale Akari. Con il lavoro sintetizzato in questa tesi, abbiamo contribuito allo studio della connessione tra AGN e galassia ospite sotto vari aspetti. La nostra analisi si focalizza nell'area del polo sud eclittico (SEP), che data la sua posizione, è soggetta ad una bassa emissione da cirri. Per prima cosa, abbiamo ridotto un vasto set di immagini ottiche riprese nel campo SEP. I mosaici risultanti sono ora disponbili per ulteriori studi relativi allo stesso argomento o ad altri. In secondo luogo, a partire dalle nostre immagini ottiche e da altre immagini e cataloghi sia pubblici che privati, abbiamo costruito un catalogo di sorgenti all'interno di 7 gradi quadrati nell'area SEP. La copertura fotometrica va dall'ottico al lontano infrarosso delle bande Herschel-SPIRE. Misurazioni Spitzer-IRAC e MIPS, insieme ad osservazioni Akari-IRC sono inoltre incluse. Questo catalogo è ora disponibile per la comunità scientifica. Il nostro terzo contributo alla ricerca in questo campo è rappresentato dall'analisi condotta su un sottocampione di sorgenti selezionate nel lontano IR. Usando tecniche di SED fitting, abbiamo analizzato le principali proprietà di queste galassie (redshift, massa in stelle, attività di formazione stellare e di AGN). Quindi, abbiamo studiato il contributo di ciascun singolo meccanismo fisico (stelle, AGN, formazione stellare) all'emissione a differenze lunghezze d'onda. Per ultimo, abbiamo discusso le relazioni tra queste proprietà. La nostra analisi multi-banda è complementare ad analisi di letteratura condotte nel dominio dei raggi X, le quali puntano verso l'esistenza di una doppia ``sequenza principale'', una nel piano massa stellare (M*) contro tasso di formazione stellare (SFR), e l'altra nel piano M* contro tasso di accrescimento del buco nero (BHAR). Per ultimo abbiamo stimato la pendenza della sequenza principale M*-BHAR a redshift z<0.5