Kurzfassung
Die Untersuchung von Radiogalaxien (RGs) bietet wertvolle Einblicke in die komplexe Dynamik zwischen aktiven Galaxienkernen (active galactic nuclei, AGN), deren Heimatgalaxien und dem diese umgebenden Medium. Unter der vielfältigen Population von RGs haben Riesenradiogalaxien (giant radio galaxies, GRGs) eine lineare Ausdehnung von über 700 kpc und sind im Vergleich zu kleineren RGs relativ selten. Darüber hinaus sind die Faktoren die zu ihrer außergewöhnlichen Größe führen noch nicht genau bekannt. In dieser Doktorarbeit konzentriere ich mich darauf, das komplexe Zusammenspiel zwischen verschiedenen Aspekten wie den Eigenschaften der Heimatgalaxie, der Umgebung und dem Alter der Radioquelle zu entwirren und ihren gemeinsamen Beitrag zur Entstehung von GRGs zu verstehen. Als primäres Beobachtungswerkzeug verwendete ich das Low-Frequency Array (LOFAR), das eine hohe Sensitivität und räumliche Auflösung mit einem weiten Sichtfeld und einzigartigen Niedrigfrequenzfähigkeiten kombiniert.
Im Verlauf meiner Doktorarbeit erstellte ich eine vollständige Stichprobe von GRGs durch eine sorgfältige visuelle Inspektion der LOFAR Tiefenfelder (Bootes, ELAIS-N1 und Lockman Hole), ergänzt durch tiefe Himmelsdurchmusterungen im optischen und infraroten Bereich zur genauen Identifizierung der Heimatgalaxien. Die endgültige Stichprobe umfasst etwa 1600 RGs, von denen 280 GRGs sind. Die Stichprobe mit kleineren RGs wurde als Kontrollstichprobe verwendet, um die Radioeigenschaften, die Eigenschaften der Heimatgalaxie und die Umgebungen zwischen GRGs und kleineren RGs zu vergleichen. Die Eigenschaften der Heimatgalaxien erwiesen sich als ähnlich zwischen GRGs und RGs, beide beherbergen ein zentrales Schwarzes Loch, das radiativ ineffizient akkretiert. Darüber hinaus zeigen die stellaren Massen der Heimatgalaxien von GRG und RG Ähnlichkeiten. Interessanterweise wiesen 41% der Heimatgalaxien von GRGs eine moderate/hohe Sternentstehungsrate von mehr als 10 M⊙/Jahr auf, im Gegensatz zu 20% der Heimatgalaxien von RGs, die diese Schwelle überschritten. Integrierte Flussdichten und Radioluminositäten wurden auch für eine Teilmenge von RGs und GRGs durch verfügbare Bilder aus Himmelsdurchmusterungen bei 50, 150, 610 und 1400 MHz bestimmt, um integrierte Spektralindizes zu berechnen. Ich fand heraus, dass größere Quellen steilere integrierte Spektralindizes aufweisen, was darauf hindeutet, dass GRGs die späten Evolutionsstufen von RGs sind. Darüber hinaus verwendete ich für die Umgebungsanalyse einen Katalog von fotometrischen und spektroskopischen Rotverschiebungen von Galaxien aus dem Legacy Survey und nutzte die Anzahl der benachbarten Galaxien im Radius von 10 Mpc von der AGN-Heimatgalaxie als Maß für die Umgebungsdichte um RGs. Diese Analyse zeigte deutliche Dichtunterschiede auf, wobei GRGs statistisch gesehen dünnere Umgebungen im Vergleich zu ihren kleineren Pendants bevölkern. Bemerkenswert ist insbesondere die Tatsache, dass nur 3% der GRGs innerhalb eines dreidimensional-mitbewegten Abstands von 5 Mpc von einem Galaxienhaufen entfernt sind.
Die Zusammenstellung einer Liste von 447 RGs ermöglichte eine Analyse der Ausrichtung der RG-Jets im ELAIS-N1-Feld, wie sie in früheren Studien berichtet wurde. Von den für diese Analyse verwendeten RGs besitzen 95% entweder fotometrische oder spektroskopische Rotverschiebungen, was eine dreidimensionale (3D) Analyse ermöglicht. Die räumliche Verteilung der Hauptachsenpositionswinkel von RGs im ELAIS-N1-Feld wird präsentiert, begleitet von den Ergebnissen mehrerer statistischer Tests, die darauf abzielen, das Vorhandensein einer systematischen Ausrichtung festzustellen. Die Analyse zeigt, dass die Verteilung der Positionswinkel konsistent mit einer gleichmäßigen Verteilung ist. Zwei scheinbare Spitzen um Positionswinkel von 50 und 140 Grad sind nicht signifikant, wie durch eine gründliche 3D-Analyse belegt wird, die jeglichen Hinweis auf eine intrinsische Ausrichtung entkräftet. Zusammenfassend unterstützen meine Ergebnisse keine 2D- oder 3D-Ausrichtung von RGs auf Winkelskalen unterhalb von 4 Grad.
Zusammenfassend präsentiere ich in dieser Studie eine Multi-Wellenlängen-Analyse der RGs in den LOFAR Tiefenfeldern und untersuche, wie die Umgebung sowie die Radio- und optischen Eigenschaften der RGs ihre Entwicklung beeinflussen. In naher Zukunft hat eine ähnliche Studie, erweitert auf den gesamten LOFAR Two-Metre Sky Survey, das Potenzial, die notwendige Bestätigung dieser Ergebnisse zu liefern.
The study of radio galaxies (RGs) offers valuable insights into the complex dynamics between active galactic nuclei (AGN), host galaxies, and the surrounding medium. Among the diverse population of RGs, giant radio galaxies (GRGs) have a linear extent larger than 700 kpc and they are relatively rare compared to smaller RGs. Furthermore, the contributing factors to their exceptional size are still not very well known. In this doctoral thesis, I focus on unravelling the intricate interplay between different aspects, such as the properties of the host galaxy, the surrounding environment, the age of the radio source, and their collective role in shaping the size of GRGs. As a primary observational tool, I used the Low-Frequency Array (LOFAR), which combines high sensitivity and angular resolution with a wide field of view and unique low-frequency capabilities. Throughout my doctoral studies, I constructed a complete sample of GRGs through a meticulous visual inspection of the LOFAR deep fields (Boötes, ELAIS-N1, and Lockman Hole), complemented by deep optical and infrared surveys for accurate host galaxy identification. The final sample counts about 1600 RGs of which 280 are GRGs. The sample containing smaller RGs was used as a control sample to compare the radio properties, the properties of the host galaxy and the environment between GRGs and smaller RGs. Host galaxy properties were found to be similar between GRGs and RGs, both hosting a central black hole undergoing radiatively inefficient accretion. Additionally, stellar masses of GRG and RG host galaxies exhibited similarities. Intriguingly, 41% GRG host galaxies displayed a moderate/high star formation rate, greater than 10 M⊙/yr, in contrast to 20% of RG hosts exceeding this threshold. Integrated flux densities and radio luminosities were also determined for a subset of RGs and GRGs through available survey images at 50, 150, 610, and 1400 MHz to compute integrated spectral indices. I found that larger sources exhibit steeper integrated spectral indices, suggesting that GRGs are the late-time versions of RGs. Furthermore, the environmental analysis I implemented utilised a catalogue of photometric and spectroscopic redshifts of galaxies from the Legacy survey. I employed the number of neighbouring galaxies within a 10 Mpc radius from the host galaxy as a proxy for environmental density around RGs. This analysis exposed distinct density differences, with GRGs statistically inhabiting sparser environments compared to their smaller counterparts. Particularly noteworthy is the fact that only 3% of GRGs are located within a 3D comoving distance of 5 Mpc from a galaxy cluster. The compilation of a list of 447 RGs enabled an analysis of the alignment of the RG jets in the ELAIS-N1 field, which was reported by previous studies. Of the RGs used for this analysis, 95% possess either photometric or spectroscopic redshifts, facilitating a three-dimensional (3D) analysis. The spatial distribution of major axis position angles of RGs in the ELAIS-N1 field is presented, accompanied by the results of multiple statistical tests aimed at discerning the presence of any systematic alignment. The analysis reveals that the distribution of position angles is consistent with being uniform. Two apparent peaks around position angles of 50 and 140 degrees are deemed spurious, as evidenced by a rigorous 3D analysis, dispelling any indication of intrinsic alignment. In conclusion, my results do not support a 2D or 3D alignment of RGs on scales of smaller than 4 degrees. In summary, in this study, I present a multi-wavelength analysis of the RGs in the LOFAR deep fields and study how the environment and the radio and optical properties of RGs affect their evolution. In the near future, a similar study extended to the full LOFAR Two-metre Sky Survey holds the potential to provide the necessary confirmation of these results.