Predictions for imaging and spectroscopic surveys of galaxies and Active Galactic Nuclei in the mid-/far-Infrared

While continuum imaging data at far-infrared to sub-millimeter wavelengths have provided tight constraints on the population properties of dusty star-forming galaxies up to high redshifts, future space missions like the Space Infra-Red Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA) and ground based facilities like the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Cerro Chajnantor Atacama Telescope (CCAT) will allow detailed investigations of their physical properties via their mid-/far-infrared line emission. The goal of this thesis project was to carry out predictions for these spectroscopic surveys using both a phenomenological approach and physically grounded models. These predictions are useful to optimize the planning of the surveys. In the first part of the work, I present updated predictions for the number counts and the redshift distributions of star-forming galaxies spectroscopically detectable by these future missions. These predictions exploit a recent upgrade of evolutionary models, that includes the effect of strong gravitational lensing, in the light of the most recent Herschel and South Pole Telescope (SPT) data. Moreover the relations between line and continuum infrared luminosity are re-assessed, considering also differences among source populations, with the support of extensive simulations that take into account dust obscuration. My reference model for the redshift dependent IR luminosity functions is the one worked out by Cai et al. (2013) based on a comprehensive hybrid approach combining a physical model for the progenitors of early-type galaxies with a phenomenological one for late-type galaxies. The derived line luminosity functions are found to be highly sensitive to the spread of the line to continuum luminosity ratios. Estimates of the expected numbers of detections per spectral line by the SpicA FAR infrared Instrument (SAFARI) and by CCAT surveys for different integration times per field of view at fixed total observing time are presented. Comparing with the earlier estimates by Spinoglio et al. (2012), I find, in the case of SPICA-SAFARI, differences within a factor of two in most cases, but occasionally much larger. More substantial differences are found for CCAT. Thereafter I present new estimates of redshift-dependent luminosity functions of IR lines detectable by SPICA-SAFARI and excited both by star formation and by AGN activity. The new estimates improve over previous work by dealing in a self consistent way with the emission of galaxies as a whole, including both the starburst and the AGN component. While the galaxy-AGN co-evolution was already worked out by Cai et al. (2013) in the case of proto-spheroidal galaxies, the evolution of late-type galaxies was dealt with independently of that of AGNs associated with them. I upgraded the model to enable it to take into account in a coherent way the contributions of both starbursts and AGNs to the IR emission during the cosmic evolution also of late-type galaxies. New relationships between line and AGN bolometric luminosity have been derived and those between line and IR luminosities of the starburst component have been updated. These ingredients were used to work out predictions for the source counts in 11 mid/far-IR emission lines partially or entirely excited by AGN activity. I find that the statistics of the emission line detection of galaxies as a whole is mainly determined by the star formation rate, because of the rarity of bright AGNs. I also find that the slope of the line integral number counts is flatter than 2 implying that the number of detections at fixed observing time increases more by extending the survey area than by going deeper. I thus propose a spectroscopic survey of 1 hour integration per field-of-view over an area of 5 deg^2 to detect (at 5σ) ~760 AGNs in [OIV]25.89 μm - the brightest AGN mid-infrared line - out to z~2. Pointed observations of strongly lensed or hyper-luminous galaxies previously detected by large area surveys such as those by Herschel and by SPT can provide key information on the galaxy-AGN co-evolution out to higher redshifts. Finally, as third step of the work, I present predictions for number counts and redshift distributions of galaxies detectable in continuum and in emission lines with the Mid-infrared (MIR) Instrument (SMI) proposed for SPICA. I have considered 24 MIR emission fine-structure lines, four Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) bands (at 6.2, 7.7, 8.6 and 11.3 μm) and two silicate bands (in emission and in absorption) at 9.7 μm and 18.0 μm. Six of these lines are primarily associated with Active Galactic Nuclei (AGNs), the others primarily with star formation. Altogether, they allow us to study the interplay between star formation and super-massive black hole growth. A survey with the SMI spectrometers of 1 hour integration per field-of-view (FoV) over an area of 1 deg^2 will yield 5σ detections of ~140 AGN lines, produced by ~110 AGNs, and of ~5.2x10^4 star-forming galaxies, ~1.6x10^4 of which will be detected in at least two lines. The combination of a shallow (20.0 deg^2, 1.4x10^(-1) h integration per FoV) and a deep survey (6.9x10^(-3) deg^2, 635 h integration time), with the SMI camera, for a total of ~1000 h, will accurately determine the MIR number counts of galaxies and of AGNs over five orders of magnitude in flux density, reaching values more than one order of magnitude fainter than the Spitzer 24 μm surveys. This will allow us to resolve almost completely the extragalactic background and to determine the cosmic star formation rate (SFR) function down to SFRs more than 100 times fainter than reached by the Herschel Observatory. These spectroscopic observations will allow us to probe all phases of the interstellar medium (ionized, atomic and molecular). Measurements of these lines will provide redshifts and key insight on physical conditions of dust obscured regions and on the energy sources controlling their temperature and pressure. This information is critically important for investigating the complex physics ruling the dust-enshrouded active star-forming phase of galaxy evolution and the relationship with nuclear activity. Observations of strongly gravitationally lensed galaxies will be of special interest, because strong lensing allows us to measure the gas/dust distribution in galaxies up to high-z and to gain information on sources too faint to be detected with current instrument sensitivities, thus testing models for galaxy formation and dark matter.Mentre i dati fotometrici sulla luminosità del continuo, alle lunghezze d'onda che vanno dal lontano infrarosso al sub-millimetrico, hanno fornito vincoli stringenti sulle proprietà delle popolazioni di galassie polverose con alti tassi di formazione stellare fino a redshift elevati, future missioni spaziali, come lo Space Infra-Red Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA) e telescopi da terra come l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) e il Cerro Chajnantor Atacama Telescope (CCAT), consentiranno indagini dettagliate sulle loro proprietà fisiche, tramite l'analisi della loro emissione in riga nel medio/lontano infrarosso. L'obiettivo di questa tesi è stato di realizzare predizioni per queste indagini spettroscopiche, utilizzando sia un approccio fenomenologico che modelli fisici. Queste predizioni risultano particolarmente utili per ottimizzare la pianificazione delle survey. Nella prima parte del lavoro, presento predizioni aggiornate per i conteggi e le distribuzioni in redshift di galassie con alti tassi di formazione stellare, rilevabili spettroscopicamente da queste future missioni. Queste predizioni si servono dei recenti aggiornamenti dei modelli evolutivi, che includono l'effetto di lente gravitazionale forte, alla luce dei più recenti dati di Herschel e del South Pole Telescope (SPT). Inoltre le relazioni tra la luminosità in riga e quella del continuo infrarosso sono state ricalcolate, considerando anche differenze tra le popolazioni di sorgenti, con il supporto di estese simulazioni che tengono conto dell'oscuramento da polveri. Il mio modello di riferimento per le funzioni di luminosità IR dipendenti dal redshift è stato quello elaborato da Cai et al. (2013), basato su un esaustivo approccio ibrido, che combina un modello fisico per i progenitori delle galassie early-type con uno fenomenologico per le galassie late-type. Le funzioni di luminosità in riga derivate sono risultate essere molto sensibili alla dispersione dei rapporti tra la luminosità in riga e quella del continuo. Vengono presentate stime del numero atteso di detezioni per riga spettrale rilevabili da survey con lo SpicA FAR infrared Instrument (SAFARI) e con CCAT, per diversi tempi di integrazione per campo di vista, con un tempo totale di osservazione fissato. Confrontando queste stime con altre calcolate precedentemente da Spinoglio et al. (2012), ho trovato, nel caso di SPICA-SAFARI, nella maggior parte dei casi differenze all'interno di un fattore due, ma a volte molto maggiori. Per CCAT sono state trovate differenze più sostanziali. Inoltre presento nuove stime di funzioni di luminosità in riga dipendenti dal redshift, per righe IR rilevabili da SPICA-SAFARI ed eccitate da attività sia di formazione stellare sia di AGN. Le nuove stime sono più accurate rispetto alle precedenti, poichè trattano in modo autoconsistente l'emissione complessiva delle galassie, comprendendo sia la componente starburst sia quella AGN. Mentre la coevoluzione galassia-AGN, nel caso delle galassie proto-sferoidali, era stata già elaborata da Cai et al. (2013), l'evoluzione delle galassie late-type veniva lì trattata in modo indipendente da quella degli AGN ad esse associati. Ho aggiornato il modello per far sì che trattasse in modo coerente i contributi all'emissione IR sia degli starburst che degli AGN, durante la loro evoluzione cosmica, anche per le galassie late-type. Sono state ricavate nuove relazioni tra la luminosità in riga e la luminosità bolometrica dell'AGN e sono state aggiornate quelle tra la luminosità in riga e la luminosità IR della componente starburst. Questi ingredienti sono stati utilizzati per realizzare predizioni per i conteggi in 11 righe di emissione nel medio/lontano IR, parzialmente o interamente eccitate dall'attività di AGN. Ho trovato che la statistica delle detezioni nelle righe di emissione delle galassie (considerate nel loro complesso, cioè starburst+AGN) è determinata principalmente dal tasso di formazione stellare, a causa della rarità di AGN luminosi. Ho trovato anche che la pendenza dei conteggi integrali in riga è minore di 2, il che implica che il numero di detezioni, ad un tempo di osservazione totale fissato, aumenta maggiormente estendendo l'area della survey che andando più in profondità. Ho quindi proposto una survey spettroscopica di 1 h di tempo di integrazione per campo di vista, su un'area di 5 deg^2, per rilevare (a 5σ) ~760 AGN nell'[OIV]25.89 μm - la riga da AGN più brillante nel medio IR - fino a z~2. Osservazioni puntate di galassie fortemente lensate o di galassie iper-luminose precedentemente rilevate da survey a grande area, come quelle realizzate con Herschel e con SPT, possono fornire informazioni chiave sulla coevoluzione galassia-AGN fino a redshift più elevati. Infine, come terza pate del lavoro, presento predizioni per conteggi e distribuzioni in redshift di galassie rilevabili nel continuo e in righe di emissione dal Mid-infrared (MIR) Instrument (SMI) proposto per SPICA. Ho considerato 24 righe MIR di emissione, quattro bande di idrocarburi policiclici aromatici (PAH) (a 6.2, 7.7, 8.6 e 11.3 μm) e due bande di silicati (in emissione e in assorbimento) a 9.7 μm e a 18.0 μm. Sei di queste righe sono associate principalmente ad AGN, le altre soprattutto alla formazione stellare. Complessivamente, ci permettono di studiare l'interazione tra la formazione stellare e l'accrescimento del buco nero super-massiccio. Una survey con gli spettrometri SMI di 1 h di tempo di integrazione per campo di vista, su un'area di 1 deg^2, permetterà la detezione (a 5σ) di ~140 righe AGN, prodotte da ~110 AGN, e di ~5.2x10^4 galassie con alto tasso di formazione stellare, ~1.6x10^4 delle quali verranno rilevate in almeno due righe. La combinazione di una survey superficiale (20.0 deg^2, 1.4x10^(-1) h di tempo di integrazione per campo di vista) e una survey profonda (6.9x10^(-3) deg^2, 635 h di tempo di integrazione per campo di vista), con la camera dello SMI, per un totale di ~1000 h, determinerà accuratamente i conteggi MIR di galassie e di AGN per oltre cinque ordini di grandezza in densità di flusso, raggiungendo valori più di un ordine di grandezza più deboli delle survey Spitzer a 24 μm. Questo ci permetterà di risolvere quasi completamente il fondo extragalattico e di determinare la funzione del tasso di formazione stellare cosmica fino a tassi di formazione stellare più di 100 volte più piccoli di quanto è possibile con Herschel. Queste osservazioni spettroscopiche ci permetteranno di indagare tutte le fasi del mezzo interstellare (ionizzato, atomico e molecolare). Le misurazioni di queste righe forniranno redshift e importanti indicazioni sulle condizioni fisiche delle regioni oscurate da polveri e sulle sorgenti energetiche che controllano la loro temperatura e pressione. Queste informazioni sono di fondamentale importanza per lo studio dei complessi processi fisici che regolano la fase polverosa di attiva formazione stellare di evoluzione delle galassie e le relazioni con l'attività nucleare. Le osservazioni di galassie fortemente lensate saranno di particolare interesse, perchè ci permetteranno di misurare la distribuzione di gas/polvere in galassie fino ad alti z e di ottenere informazioni su sorgenti troppo deboli per essere rilevate con le sensibilità degli strumenti attuali, testando perciò i modelli di formazione delle galassie e di materia oscura