The role of dust in models of population synthesis

During these last years, with the advent of modern telescopes and satellites, studies about high redshift galaxies are topics in great development from an observational point of view; photometric surveys permit observations of very far and faint galaxies with bigger efficiency, thus allowing to study the galactic evolution with redshift. Observations show a strongly obscured high-z universe featuring huge quantities of dust (Omont et al. 2001; Shapley et al. 2001; Bertoldi et al. 2003; Robson et al. 2004; Wang et al. 2008; Wang et al. 2008; Gallerani et al. 2010; Michalowski et al. 2010; Michalowski et al. 2010). Dust absorbs the stellar radiation in the UV/optical range of the electromagnetic spectrum and re-emits it in the IR, so it deeply changes the shape of the observed spectral energy distributions (SEDs) of obscured galaxies (Silva et al. 1998; Piovan et al. 2006b; Popescu et al. 2011), hampering their interpretation in terms of the fundamental physical parameters, such as age, metallicity, initial mass function (IMF), mix of stellar populations, star formation history (SFH). Only taking into account all the spectral range of emission it is possible to study the properties of galaxies by means of the evolutionary population synthesis (EPS) models. It is therefore mandatory to calculate evolutionary sequences of spectral models for galaxies of various morphological types, including the effects of dust, both for the local universe and high redshift objects (Narayanan et al. 2010; Jonsson et al. 2010; Grassi et al. 2010; Pipino et al. 2011; Popescu et al. 2011): this approach leads to a growing complexity and typically to a much larger set of parameters influencing the results of the simulations to be then compared with the observations. In this thesis, the effects of dust on galaxies have been deeply studied and considered in both chemical and spectro-photometric simulations of galaxies of different morphological types at many different levels, trying to improve the treatment of dust extinction, emission, formation and evolution in our models. In this work: (a) we introduced and studied the effects of dust in isochrones and SEDs of SSPs with an improved state-of-art treatment of the AGB phase in intermediate and low mass stars, taking into account circumstellar dust shells around them; (b) we developed and tested state-of-art models of galaxies of different morphological types, E, S0, Sa, Sb, Sc, Sd and disks, with the inclusion of all the local and global effects of dust extinction and emission. We presented and tested the models in many different photometric systems, both for the local and high redshift universe; (c) in order to improve upon the information supplied by the chemical code to the EPS, we developed and presented a state-of-art description of the evolution and formation of dust in spiral galaxies, with a complete treatment of dust yields and dust accretion/destruction processes. This refined model should be in future used to support the spectro-photometric models with a more advanced chemical interface. In particular, the Milky Way has been chosen as the ideal laboratory to study the dust cycle (Zhukovska et al. 2008) and its impact on the wider subject of galaxy formation, with the target to later (1) extend the dusty chemical model to ellipticals, intermediate type and starburst galaxies and (2) interface it to our spectro-photometric code.

In questi ultimi anni, lo studio delle galassie ad alto redshift è un argomento in piena evoluzione dal punto di vista osservativo; le survey fotometriche hanno consentito osservazioni di galassie sempre più distanti e deboli con una crescente efficienza, permettendo uno studio via via più approfondito dell’evoluzione galattica al variare del redshift. Le osservazioni mostrano un Universo ad alto-z fortemente oscurato dalle polveri: l’effetto della polvere è di assorbire la radiazione stellare nel range UV/ottico dello spettro elettromagnetico e di riemettere tale radiazione nell’infrarosso, modificando quindi profondamente la forma delle distribuzioni spettrali di energia (SEDs) delle galassie oscurate (Silva et al. 1998; Piovan et al. 2006b; Popescu et al. 2011), e di ostacolare l’interpretazione dei loro parametri fisici fondamentali, quali l’età, la metallicità, la funzione iniziale di massa (IMF), le popolazioni stellari (SSP), la storia di formazione stellare. Solo tenendo conto dell’emissione proveniente da tutte le lunghezze d’onda è possibile studiare le proprietà delle galassie per mezzo della sintesi evolutiva di popolazione (EPS). Ha quindi notevole importanza calcolare sequenze evolutive di modelli spettrali di galassie di diverso tipo morfologico, includendo gli effetti della polvere, sia nell’universo locale che ad alto redshift (Narayanan et al. 2010; Jonsson et al. 2010; Grassi et al. 2010; Pipino et al. 2011; Popescu et al. 2011): questo approccio ovviamente aumenta la complessità del lavoro e porta in genere ad avere un numero molto più elevato di parametri che influenzano i risultati delle simulazioni, da confrontare con le osservazioni. In questa tesi, gli effetti della polvere sulle galassie sono stati profondamente studiati e analizzati sia dal punto di vista chimico che spettrofotometrico, per galassie di diversi tipo morfologici, a vari livelli, cercando di migliorare il trattamento dell’ estinzione, emissione, formazione ed evoluzione della polvere nelle nostre simulazioni. In questo lavoro: (a) abbiamo introdotto e studiato gli effetti della polvere nelle isocrone e nelle popolazioni stellari, introducendo un trattamento allo stato dell’arte della fase di ramo asintotico delle giganti (AGB), per stelle di massa piccola e intermedia, considerando le shells di polveri circondanti tali oggetti; (b) abbiamo sviluppato e testato modelli state-of-art di galassie di diversi tipi morfologici, (E, S0, Sa, Sb, Sc, Sd e dischi), includendo tutti gli effetti locali e globali legati all’estinzione e emissione delle polveri. Abbiamo presentato e testato i modelli in diversi sistemi fotometrici, sia per l’Universo locale che ad alto redshift; (c) allo scopo di migliorare le informazioni fornite dal codice chimico al codice di sintesi di popolazione, abbiamo sviluppato e presentato una descrizione attuale dell’evoluzione e della formazione della polvere nelle galassie a spirale, trattando in modo completo gli yields di polvere e i processi di accrescimento/distruzione. Questo modello raffinato sarà poi in futuro utilizzato come base per i modelli spettrofotometrici, che includano un’interfaccia chimica più avanzata. In particolare, la Via Lattea stato scelta come il laboratorio ideale per studiare il ciclo della polvere (Zhukovska et al. 2008) e il susseguente impatto dello stesso sulla formazione delle galassie, con l’obiettivo di (1) estendere il modello chimico polveroso alle galassie ellittiche, di tipo intermedio e starburst e (2) interfacciarlo al nostro codice spettro-fotometrico.