Clustering Analysis of Cosmic Sources at High Redshifts

This thesis is dedicated to the investigation of clustering properties of both normal and active galaxies over a wide range of redshifts, from local to z>2. These sources, selected in the infrared with Spitzer and X-rays with Chandra, represent different classes of objects in the high-z Universe - X-ray emitting AGNs at z>~1, massive evolved galaxies at z~2, and star-forming galaxies at z~=1.7 and 0.7. We report on the measurements of the correlation functions for these objects and combine them with the clustering models of dark matter halos in order to infer the halo occupation properties of the various galaxy populations. We first discuss the clustering of galaxies with signs of active star formation detected at 24 um by Spitzer. Using optical/near-IR colors, we separate the sample into a lower-redshift (<z>=0.68 and higher-redshift (<z>=1.72) galaxy populations, and measure comoving correlation lengths of r0 = 4.74+-0.16 h**{-1} Mpc and r0 =7.87+-0.63 h**{-1}Mpc, respectively. From this we derive the masses of parent dark matter halos Mtot>~2*10**12 h**{-1}Msun for the high-z population, compared to Mtot>~5*10**11 h**{-1}Msun at the lower redshifts --- in line with the estimated IR luminosities L_IR>10**12Lsun (corresponding to ``ULIRGs'') and L_IR~10**11Lsun (``LIRGs''). We then present the analysis of massive (estimated stellar mass M*~=1.6*10**11 Msun), high-redshift (<z>=2.2) galaxies previously selected by the presence of the 1.6 um stellar peak redshifted into the 5.8 um Spitzer band (``IR-peakers''). We find that the key observable characteristics of IR-peakers - their stellar mass, number density, and clustering, are best explained if they reside in those 10-25% of dark matter halos with Mtot~=[0.5-1]*10**{13}Msun, in which the star conversion efficiency reaches ~10-20%. We also show that IR-peakers can not be located only in the central galaxies of parent dark matter halos, or only in the subhalos. Finally, we measure the spatial clustering of AGNs detected by the Chandra X-ray Observatory in the Bootes field over a redshift interval from z=0.17 to z~3. The derived correlation lengths are consistent with no redshift trend within the sample. The availability of accurate spectroscopic redshifts allows us to use the two-point correlation functions projected on the sky plane and in the line of sight to show that the X-ray AGNs are predominantly located at the centers of dark matter halos with Mtot>3.7*10**12 h**{-1}Msun, and tend to avoid satellite galaxies in halos of this or higher mass. The halo occupation properties inferred from the clustering data of Chandra AGNs --- the mass scale of the parent dark matter halos, the lack of significant redshift evolution of the clustering length, and the low satellite fraction --- are broadly consistent with the scenario of quasar activity triggered by mergers of similarly-sized galaxies. Interestingly, the three classes of objects studied in this thesis have similar correlation lengths (r0~=7-8 h**{-1}Mpc), and hence reside in dark matter halos of similar mass, a few *10**12 h**{-1}Msun. However, they represent distinct and mostly non-overlapping populations. The star-forming galaxies are found in ~=20% of halos of this mass, presumably those which experienced a star formation trigger in the recent past. The very massive normal galaxies (``IR-peakers'') reside in 10-20% of the halos which had an enhanced star formation efficiency at very high redshifts. The X-ray selected AGNs occupy a small fraction ~1-5% of the halos, and we find an evidence for a difference in the clustering properties of AGNs and IR-peakers - while the latter include both massive central galaxies and satellite galaxies, the AGNs are preferentially located in the central galaxies. Taken together, the objects studied in this thesis populate ~30-50% of the massive dark matter halos at z=1-2.

La tesi e' dedicata allo studio delle proprieta' di clustering di galassie normali e attive, in un ampio intervallo di redshift, dall'Universo locale fino a z>2. Queste sorgenti, selezionate nell’infrarosso con Spitzer e nei raggi X con Chandra, rappresentano diverse classi di oggetti ad alto redshift - AGN a z>1 che emettono nell'X, massicce galassie evolute a z~2 e galassie con formazione stellare a z~=1.7 e 0.7. Calcoliamo alcune misure di funzioni di correlazione angolare per questi oggetti e le combiniamo con dei modelli di clustering per gli aloni di materia oscura allo scopo di inferire le proprieta' di occupazione degli aloni per le diverse popolazioni di galassie. Inizialmente si sono discusse le proprieta' di clustering delle galassie con indicazioni di attivita' di formazione stellare, rilevate a 24 um da Spitzer. Usando i colori nell'ottico/vicino-IR, abbiamo suddiviso il campione in una popolazione a basso-redshift e in (<z>=0.68) una popolazione ad alto-redshift (<z>=1.72), e abbiamo misurato una lunghezza di correlazione comovente di r0 = 4.74+-0.16h**{-1} Mpc e r_0 =7.87+-0.63 h**{-1}Mpc, rispettivamente. Da questo abbiamo potuto derivare le masse degli aloni di materia oscura Mtot>~2*10**12 h**{-1}Msun per la popolazione ad alto redshift, da confrontare con quella stimata per la popolazione a basso redshift Mtot>~5*10**11 h**{-1}Msun - in linea con le stime delle luminosita' IR L_IR>10**12Lsun(``ULIRG``) e L_IR~10**11 Lsun (``LIRG``). Si e' quindi presentata l'analisi di galassie massicce (massa stellare stimata di M*~=1.6*10**11 Msun), ad alto redshift (<z>=2.2) preliminarmente selezionate dalla presenza del picco di emissione stellare a 1.6 um, che si trova spostato alla lunghezza d'onda osservata a nella 5.8 um banda Spitzer (i cosiddetti ``IR-peakers``). Si e' trovato che le proprieta' osservate degli IR-peakers - la loro massa stellare, densita' numerica e proprieta' di clustering - sono spiegate al meglio se si assume che essi risiedano in quel 10-25% di aloni di materia oscura con Mtot~=[0.5-1]*10**13 Msun, in cui l'efficienza di conversione stellare raggiunge il ~10-20%. Si e' inoltre dimostrato che gli IR-peakers non possono trovarsi solamente nelle galassie centrali dei corrispettivi aloni di materia oscura, o solo nei sottoaloni. Infine, si e' misurato il clustering spaziale degli AGN rilevati dall'osservatorio spaziale a raggi X Chandra nel campo Bootes, in un intervallo di redshift da z=0.17 a z~3. Le lunghezze di correlazione derivate non indicano nessun andamento con il redshift, all’interno di questo campione. La disponibilita' di accurati redshift spettroscopivi ci ha permesso di utilizzare le funzioni di correlazione a due punti proiettate sul piano del cielo, e lungo la linea di vista, per mostare che gli AGN selezionati nei raggi X sono principalmente collocati nei centri degli aloni di materia oscura con Mtot>3.7*10**12 h**{-1} Msun, e tendono ad evitare galassie satelliti in aloni di masse di quest'ordine di grandezza, o maggiori. Le proprieta' di occupazione derivate dai dati di clustering degli AGN Chandra - la scala delle masse dei corrispettivi aloni di materia oscura, la mancanza di una significativa evoluzione con il redshift della lunghezza di correlazione del clustering, e la bassa frazione di satelliti - sono in linea di massima consistenti con lo scenario dell'attivita' di quasar attivata dai \textit{mergers} di galassie di massa simile. Di particolare interesse, si e' trovato che le tre classi di oggetti studiate in questa tesi hanno una lunghezza di correlazione simile (r0~=7-8 h**{-1} Mpc), e quindi risiedono in aloni di materia oscura di massa comparabile, alcuni*10**12 h**{-1}Msun. Tuttavia, essi rappresentano delle popolazioni distinte e largamente non sovrapposte. Le galassie star-forming si trovano nel ~=20% degli aloni di questa massa, probabilmente quelli che hanno subito un innescamento della formazione stellare nel passato recente. Le galassie normali molto massicce (``IR-peakers``) risiedono nel 10-20% degli aloni che hanno avuto un aumento dell’efficienza della formazione stellare a redshift molto alti. Gli AGN selezionati nei raggi X occupano una piccola frazione (~ 1-5%) degli aloni, e si e' trovata evidenza di una differenza nelle proprieta' di clustering di AGN ed IR-peakers: mentre questi ultimi includono sia galassie centrali massicce e galassie satellite, gli AGN sono preferenzialmente situati nelle galassie centrali. Considerati insieme, gli oggetti studiati in questa tesi popolano il ~30-50% degli aloni di materia oscura piu' massicci fra z=1 e z=2.