Molecules as Tracers of the Interstellar Medium in the Central Molecular Zones of Spiral Galaxies

Abstract

This thesis is devoted to the investigation of two important astronomical topics related to prevailing conditions in the central molecular zone (CMZ) of spiral galaxies. The first one is based on the analysis of sulfur and carbon rare isotopes, mainly synthesized in massive stars and expelled to the interstellar medium by stellar winds and supernova explosions. Without the contribution of massive stars, our universe would show quite a different kinematics and would be devoid of life, since they are responsible for releasing the most complex elements into the interstellar medium. These elements, heavier than iron, are often recycled by less massive stars that have succeeded them, as is the case of our Sun. The Sun inherited these substances as a second or third generation star, explaining the complex materials present in its surrounding planets. Although hydrogen and helium make up 98% of the baryonic mass in the universe, hydrogen is responsible for only 10% of human being’s compositions. In contrast, 73% of the atoms in the human body are related to material released in exploding massive stars.<br /> The study of sulfur and carbon through its most abundant molecule, carbon monosulfide (CS), is a feasible path to probe what happens inside of stars. By using carbon isotopologue ratios it is possible to prove that the nucleus of our Galaxy is “older” compared to their spiral arms, suporting the inside-out growth scenario of the Galactic Disk. The CS observation also gives us information about the metallicity of the environment in which massive stars reside. The latter is relevant for the refinement of star formation models.<br /> The second topic covered by this work is about the microwave amplification by stimulated emission of radiation (maser lines) from interstellar molecules. While the searching for sulfur across the Milky Way works as an archeologist looking for the previous existence of massive stars, masers occur at early stages of star formation. Masers can originate in a variety of environments, from planetary nebulae to active galactic nuclei. Methanol masers are more restricted in origin and can be used to trace the earliest stages of high-mass star formation. The study of extragalactic methanol masers is a promising new field of research and has great potential to be explored in detail in the coming years.<br /> In the course of this thesis more than 110 (12 m array) and 260 (ACA) hours of integration time have been used from the Atacama Large (sub)millimiter array (ALMA), and more than 60 hours with the Effelsberg telescope. Further ALMA observations have been recycled from the Ph.D. Thesis of Vivien Thiel (2019) and combined with newly observed IRAM 30 m and APEX data.<br /> The main findings of this thesis can be summarized as follows. Regarding the first topic, we have found that the decreasing trend of the 32 S/ 34 S abundance ratio towards the Galactic nucleus is halted somewhere between 1 kpc and ∼130 pc from the galactic center and then reverts to values similar to those encountered in the solar neighborhood. This confirms that the metallicity in the nuclear regions of our Galaxy is similar to the solar one, and indicates a drop in the production of massive stars from the outer limits of our Galaxy until 1 kpc from its nucleus. With respect to the second topic, we have found that methanol masers pumped by shocks are the brightest, and that the conditions required to produce them are weak shocks, generated where entrained material by spiral arms interacts with the nuclear bar. Complementarily, dissociating UV radiation is the most likely explanation for the lack of methanol masers at the very center of spiral galaxies. Quantitatively speaking, we have increased the amount of known galaxies hosting methanol masers beyond the local group: the sample now includes Maffei 2. Furthermore, we have expanded the number of extragalactic methanol maser transitions detected so far from 5 to 11, reporting the first detections at 95, 132, 146, 198, 229, and 278 GHz around the core of NGC 253.

<strong>Moléculas como Trazadoras del Medio Interestelar en la Zona Central Molecular de Galaxias Espirales</strong><br /> Esta tesis está dedicada a la investigación de dos importantes temas astronómicos relacionados con las condiciones predominantes en la zona central molecular (CMZ, por sus siglas en inglés) de galaxias espirales. El primero se basa en el análisis de isótopos raros de azufre y carbono, sintetizados principalmente en estrellas masivas y expulsados al medio interestelar por vientos estelares y supernovas. Sin la contribución de estrellas masivas, nuestro universo mostraría una cinemática bastante diferente y estaría desprovisto de vida, ya que son las responsables de liberar los elementos más complejos al medio interestelar. Estos elementos, más pesados que el hierro, a menudo son reciclados por estrellas menos masivas que las han sucedido, como es el caso de nuestro Sol. El Sol heredó estas sustancias como estrella de segunda o tercera generación, y de ahí los materiales complejos presentes en los planetas que lo rodean. Aunque el hidrógeno y el helio constituyen el 98% de la masa bariónica del universo, el hidrógeno sólo es responsable del 10% de la composición del ser humano. Por el contrario, el 73% de los átomos del cuerpo humano están relacionados con el material liberado en la explosión de estrellas masivas. <br /> El estudio del azufre y el carbono a través de su molécula más abundante, el monosulfuro de carbono (CS) es una vía factible para trazar lo que ocurre en el interior de las estrellas. Mediante el uso de proporciones isotopológicas de carbono es posible demostrar que el núcleo de nuestra Galaxia es "más antiguo" que sus brazos espirales, respaldando la hipótesis del crecimiento de la Galaxia desde dentro hacia afuera (inside-out growth scenario). La observación del CS también nos da información sobre la metalicidad del entorno en el que residen las estrellas masivas. Esto último es relevante para mejorar los modelos de formación estelar. <br /> El segundo tema cubierto por este trabajo es sobre la amplificación de microondas por emisión de radiación estimulada (MASER, por sus siglas en inglés) de moléculas interestelares. Mientras que la búsqueda de azufre a través de la Vía Láctea asemeja a un arqueólogo que busca la existencia previa de estrellas masivas, los máseres se producen en las primeras etapas de la formación estelar. Los máseres pueden originarse en diversos entornos, desde nebulosas planetarias hasta núcleos activos de galaxias. Los máseres de metanol tienen un origen más restringido y pueden utilizarse para rastrear las primeras etapas de la formación de estrellas masivas. El estudio de los máseres de metanol extragalácticos es un nuevo y prometedor campo de investigación y tiene un gran potencial para ser explorado en detalle en los próximos años. <br /> En el curso de esta tesis se han utilizado más de 110 (conjunto de telescopios de 12m) y 260 (Atacama Compact Array: arreglo compacto de atacama -telescopios de 7m-) horas de tiempo de integración del Atacama Large (sub)millimiter array (ALMA), y más de 60 horas con el telescopio Effelsberg. Se han reciclado otras observaciones de ALMA provenientes de la tesis doctoral de Vivien Thiel (2019), y se han combinado con datos recién observados de IRAM 30m y APEX. <br /> Los principales hallazgos de esta tesis pueden resumirse como sigue. Respecto al primer tema, hemos encontrado que la tendencia decreciente de la relación de abundancia 32S/34S hacia el núcleo Galáctico se detiene en algún punto entre 1 kpc y ∼130 pc desde el centro Galáctico para luego revertirse a valores similares a los encontrados en la vecindad solar. Esto confirma que la metalicidad en las regiones nucleares de nuestra Galaxia es similar a la solar e indica una caída en la producción de estrellas masivas desde los límites exteriores de nuestra Galaxia hasta 1 kpc de su núcleo. Con respecto al segundo tema, hemos encontrado que los máseres de metanol ocasionados por choques son los más brillantes, y que las condiciones requeridas para producirlos son choques débiles generados donde el material arrastrado por los brazos espirales interactúa con la barra nuclear. <br /> Complementariamente, la disociación por radiación UV es la explicación más probable para la ausencia de máseres de metanol en el centro de la CMZ de galaxias espirales. Desde el punto de vista cuantitativo, hemos aumentado el número de galaxias conocidas que albergan máseres de metanol más allá del grupo local: la muestra incluye ahora Maffei 2. Además, hemos expandido el número de transiciones de máseres de metanol detectadas hasta la fecha más allá de nuestra Vía Láctea: de 5 a 11, informando de las primeras detecciones a 95, 132, 146, 198, 229 y 278 GHz alrededor del núcleo de NGC 253.