Análisis bidimensional de las poblaciones estelares en galaxias a 2<z<5 usando datos simulados de JWST/NIRSpec 

Pablo G. Pérez González (pgperez@cab.inta-csic.es) (CAB/INTA-CSIC), Javier Gorgas (jgorgas@ucm.es) (UCM) 

We will analyze simulated data taken from JWST/NIRSpec 2<z<5 galaxies and mimicking Guaranteed Time Observations (GTO) to be carried out by our team at CAB in 2022. The project aims at developing methods and software to construct reliable datasets of spectral energy distributions in a pixel-by-pixel basis and covering the wavelength range from 0.6 to 5 micron with a spectral resolution of R=100. The methodology involves learning to use tools to handle spectroscopic data cubes as well as MCMC-based techniques to deconvolve astronomical images. These data are intended to be compared with stellar populations models in order to map the assembly of galaxies in their earliest stages of evolution, one of the main goals of the JWST mission and our GTO team at CAB, which have privileged access to JWST data. 

Estimación de redshifts fotométricos en la era JWST: aplicación a las exploraciones cosmológicas CEERS y WDEEP 

Pablo G. Pérez González (pgperez@cab.inta-csic.es) (CAB/INTA-CSIC) 

JWST will be launched in December 2021, and it will provide unprecedently deep imaging data in multiple bandpasses covering the near- and mid-infrared. These data will provide, for the first time, spectral energy distributions with spatial resolution for each galaxy. The most basic analysis of this kind of imaging data starts with estimating redshifts for all detected sources. In this TFM, we aim at developing an innovative algorithm to exploit the spatial resolution of JWST images in order to obtain more accurate photometric redshifts, improving current methods which only consider integrated emission. Using this methodology, we will test the quality of photometric redshifts to be achieved by 2 cosmological surveys which will take data in 2022 and 2023 and count with significant participation by the supervisor: CEERS and WDEEP. 

San Nicolás Martínez y Nicolás Llóveres

Planteamiento de un caso científico de galaxias enanas con formación estelar para el futuro instrumento MOSAIC del telescopio gigante europeo ELT 

This work will be part of the scientific activities for the Spanish contribution to the development of the future multiobject spectrograph MOSAIC for the ESO European 39m Extremely Large Telescope ELT. The goal is to determine the feasibility and principal characteristics of a spectroscopic survey of dwarf starburst galaxies at cosmological distances that will be carried out in the future with the MOSAIC instrument. The most complete existing surveys of galaxies at different redshifts will be used to select representative samples of dwarf galaxies at different epochs of the Universe. The MOSAIC simulator tool will be then used to estimate the performance and capabilities of the unique ELT/MOSAIC combination. The final product will be a scientific report in english that will contribute to the Scientific Case of the instrument. During this TFM the student will learn about the current design of MOSAIC instrument and ELT telescope and will join the MOSAIC UCM team. 

Estudio estadístico de las relaciones estructurales de galaxias en diferentes épocas del Universo 

El objetivo principal de este TFM es estudiar las posibles relaciones entre los diferentes parámetros estructurales observados y derivados de la población de galaxias en diferentes épocas del Universo (diferentes desplazamientos al rojo). Se buscan formas fáciles de derivar parámetros especialmente relevantes en función de otros y en función del tipo de galaxia y la época del universo. El trabajo se centrará en el análisis estadístico de las poblaciones de galaxias de las exploraciones CANDELS y 3D-HST. El objetivo es desarrollar en un entorno Python y R una forma sencilla de consultar las tablas de los catálogos y de representar unos parámetros frente a otros. En una fase más avanzada, se pretende aplicar técnicas de análisis multivariante y estadísticos que valoren la credibilidad de la correlación para explorar relaciones multiparámetricas que revelen la existencia de posibles planos fundamentales. En una fase final del trabajo se identificarán muestras especialmente interesantes para su posterior estudio más detallado. 

Narrow-line Seyfert 1 galaxies at 3 GHz seen by VLASS 

Emilia Järvelä (ejarvela@sciops.esa.int) (ESAC)

Active galactic nuclei (AGN), powered by accretion onto a supermassive black hole (BH), are the most luminous non-transient phenomena in the Universe. The structure of all AGN is quite similar, but only the most extreme 10% of them can host powerful relativistic plasma jets. Only a few AGN classes are known to be able to launch relativistic jets: blazars, radio galaxies, and a class of unevolved AGN called narrow-line Seyfert 1 galaxies (NLS1). Whereas blazars and radio galaxies are well-studied fully evolved AGN, the relativistic jets in NLS1s were discovered only a decade ago. NLS1s are identified based on their optical spectrum: the full-width at half maximum (FWHM) of their Hβ emission line is < 2000 km/s, and the flux ratio of [O III] and Hβ is < 3. The narrow FWHM(Hβ) suggests that the BH masses in NLS1s are low or intermediate (106-108 Msun). Unusually low BH masses, and the prevalence of spiral galaxies among their hosts have led to the conclusion that they are unevolved AGN, possibly experiencing one of their first activity cycles. The relativistic jets in NLS1s contradict the conventional jet paradigm in which only massive elliptical galaxies, hosting the most massive BHs, are able to launch fully evolved relativistic jets. The physical properties of NLS1s are strikingly different compared to other jetted AGN, which makes them a gold mine for studying the AGN evolution. Radio imaging of NLS1s has confirmed that some NLS1s host relativistic jets, similar to blazars, but less extreme, and rarely as extended. In general, NLS1s exhibit very diverse radio morphologies. Intriguingly, jetted blazar-like NLS1s are a minority, as in only ~5% of NLS1s radio emission dominates over optical emission. On the other hand, a majority (~85%) of NLS1s have never been detected in radio. The nature of this seemingly heterogeneous NLS1 population, and how different NLS1 subclasses are related, remain open issues. Furthermore, the origins of the radio emission in NLS1s that are not jet-dominated are unclear. At low radio frequencies NLS1s range from individuals dominated by large-scale radio jets to sources where most of the radio emission originates from star formation, and everything in between. The NLS1 population is amazingly diverse, and remains poorly understood. The goal of this master’s thesis is to use the recently published National Radio Astronomy Observatory’s (NRAO) Karl G. Jansky Very Large Array Sky Survey (VLASS, https://science.nrao.edu/ vlass) Epoch 1 Quick Look data and images to study the low-frequency radio properties of a large sample of NLS1s (~4000 sources). VLASS is significantly more sensitive (120μJy) than previous similar surveys, such as the NRAO’s Faint Images of the Radio Sky at Twenty-Centimeters (FIRST) survey (~mJy), and allows us to identify possibly hundreds of new radio-emitting NLS1s. With the Quick Look images also their rough radio morphology (extended/compact) can be studied. When possible, the 3 GHz data will be complemented by other available radio data (LoTTS, FIRST, etc.) to build the radio spectra of these sources, and estimate its properties, such as the spectral index. Upon the successful completion of the thesis, since this is new research, a manuscript can be submitted to a refereed journal, such as Astronomy & Astrophysics, and the MSc student naturally gets an authorship. 

The goal of this project is to create realistic mock observations for the HARMONI integral field spectrograph. HARMONI is one of the first generation instruments mounted on the Extremely Large Telescope (ELT), the only-approved 40-meter class telescope which is planned to have its first light in 2027. The student will design mock data cubes of galaxies at different redshift taken from the state-of-the-art cosmological simulations (i.e., Illustris TNG50). These mock observations will allow the ELT community to better understand the dynamical properties of high-redshift galaxies with an unprecedented level of details.

Buscando planetas en formación alrededor de estrellas jóvenes 

Ignacio Mendigutía, Nuria Huélamo (CAB/INTA-CSIC)

A main goal in current astrophysics is to detect forming planets in protoplanetary disks around young stars. However, despite of the efforts only one planetary system in formation has been found to date, around the young star PDS 70 (Haffert et al. 2019 and references therein). This unique detection sharply contrasts with the thousands of exoplanets detected around mature stars in the main-sequence (see e.g. http://exoplanet.eu/). In fact, the presence of the circumstellar gas and dust makes the detection of forming planets really challenging, and a variety of observational techniques are being tested aiming to discover new candidates (see e.g. Huélamo et al. 2018). In Mendigutía et al. (2018) we demonstrated that spectro-astrometry is a robust observational technique that can be used to detect planets in formation around young stars (see also Mendigutía 2019 for a broader review). It is suspected that among the large number of such stars with archival spectra available at observatories in the northern and southern hemispheres (e.g. ISIS/WHT and UVES/VLT), at least a few of them should show hidden spectro-astrometric signatures consistent with the presence of forming planets. The student will conduct an archival study retrieving, reducing, and analysing a large number of spectra of young stars with the goal of extracting the best candidate sample with forming planets in their disks. Given the huge amount of data, those tasks should be done in a semi-automatic way. It is thus desirable that the student has computing skills and feels comfortable dealing with large amounts of data. The student will also have the opportunity to interact with professional astrophysicists and engineers in an international environment at the European Space Astronomy Centre (ESA-ESAC, Madrid), working at the Centro de Astrobiología (CAB-CSIC/INTA) building. 

Estudio de razones isotópicas en un cúmulo galáctico de formación estelar masiva 

Jesús Martín-Pintado, Laura Colzi (CAB/INTA-CSIC)

Cómo se forman las estrellas masivas (aquellas con más de 8 masas solares) sigue siendo todavía una cuestión abierta en Astrofísica. Estas estrellas se forman en cúmulos natales en los cuales se forman simultáneamente varias estrellas, incluyendo estrellas de mejor masa, por lo que el estudio del entorno tanto físico como químico es complejo. Una de las herramientas más potentes para entender como el proceso de formación estelar procede en estos cúmulos masivos es gracias al estudio de razones isotópicas de moléculas que trazan en gas de estas regiones. En particular, los valores isotópicos del carbono y del nitrógeno (12C/13C y 14N/15N, respectivamente) nos dan información muy relevante acerca de las condiciones físicas (densidad, temperatura, estados evolutivo de los núcleos protoestelares) de las cunas moleculares de las estrellas masivas. En este TFM, la/el estudiante analizará datos de la emisión molecular del cúmulo protoestelar IRAS 05358+3543, obtenidos con el radiotelescopio de 30 metros del Instituto de Radio Astronomia Milimétrica (IRAM), situado en el Pico Veleta de Granada. Utilizando el software de análisis astrofísico GILDAS, la/el estudiante identificará las transiciones de distintas moléculas, y de sus isotopólogos, e realizará mapas de emisión molecular de toda la región. Se derivarán las abundancias moleculares de varias moléculas, y sus razones isotópicas (12C/13C and 14N/15N) en distintas regiones del cúmulo (donde residen varias protoestrellas y nucleos prestelares). La/el estudiante podrá comparar los resultados de este análisis con las predicciones de distintos modelos fisico-químicos de regiones de formación de estrellas masivas. 

Descubriendo la temperatura cinética en el medio interestelar 

Víctor M. Rivilla, Laura Colzi (CAB/INTA-CSIC)

Las nubes moleculares del medio interestelar (ISM) son la cuna de nuevas estrellas. Para entender el proceso de formación de estrellas es importante conocer las propiedades físicas del gas que al colapsar dará lugar a estrellas como nuestro Sol. Una propiedad importante es la temperatura cinética del gas, Tkin. De hecho, es bien sabido por los modelos teóricos y las observaciones que una Tkin inferior o igual a 10 K, junto con densidades elevadas, indica fases frías en las que puede comenzar el proceso de formación estelar. Por el contrario, las temperaturas más altas sugieren la presencia de un objeto protoestelar y, por tanto, una fase evolucionada de formación estelar. Sin embargo, no es fácil derivar la temperatura cinética desde un punto de vista observacional, y durante los últimos años se han propuesto diferentes trazadores químicos para derivarla en las nubes moleculares. Por ejemplo, se ha encontrado una relación entre la temperatura cinética y las relaciones de abundancia molecular HCN/HNC, siendo la relación molecular HCN/HNC inferior a 1 para temperaturas inferiores a 10 K, y >1 para temperaturas más altas. El reciente descubrimiento de la molécula H2NC, un isómero de alta energía del H2CN, en las nubes moleculares frías y oscuras L483 y B1-b, y la galaxia z=0.89 frente al cuásar PKS1830-21, sugiere que la relación H2NC/H2CN se comporta como la relación HNC/HCN, con valores más cercanos a uno en las nubes frías, y >1 en nubes calientes. Sin embargo, se necesitan más observaciones hacia nubes moleculares con Tkin altas para investigar el comportamiento de la relación H2NC/H2CN en función de la temperatura. En este TFM, la/el estudiante analizará la emisión molecular de la nube molecular del Centro Galáctico G+0.693-0.027, que presenta una Tkin de 100 K, para buscar las moléculas H2NC y H2CN. Los datos se han obtenido desde el radiotelescopio de 30 metros del Instituto de Radio Astronomía Milimétrica (IRAM), situado en el Pico Veleta de Granada, y el radiotelescopio YEBES de 40 metros en Guadalajara. Utilizando los softwares de análisis astrofísico GILDAS y MADCUBA, la/el estudiante identificará las transiciones de las dos moléculas, y derivará las abundancias moleculares y razones entre abundancias. A continuación, la/el estudiante comparará los nuevos resultados con los de la literatura de otras fuentes y buscará por primera vez una posible correlación con la temperatura cinética. Este trabajo formará se utilizará como base para la preparación de una publicación en una revista astrofísica. 

La función de luminosidad es una de las herramientas más importantes en el estudio de la formación y evolución de las galaxias. Hay diferentes métodos clásicos (V/Vmax, C-, STY, SWML) para obtener la función de luminosidad a partir de muestras de galaxias, basados en estadística convencional. En este trabajo proponemos utilizar estadística bayesiana, en particular ajustes con Markov-Chain Monte-Carlo (programado usando el software Stan) para calcular funciones de luminosidad de exploraciones tanto limitadas en brillo como limitadas en volumen y estudiar el efecto de tener muestras pequeñas, medidas de brillo dadas por sus límites superiores y otros efectos de selección. Las bases estadísticas del trabajo se presentarán en la asignatura del máster "Análisis de Datos y Técnicas Estadísticas".

Segmentación y estimaciones de redshifts fotométricos con datos de JWST usando técnicas machine-learning 

Pablo G. Pérez González (pgperez@cab.inta-csic.es) (CAB/INTA-CSIC), Patricia Sánchez Blázquez (psanchezblazquez@ucm.es) (UCM)

JWST will be launched in December 2021, and it will provide unprecedently deep imaging data in multiple bandpasses covering the near- and mid-infrared. In this TFM, we aim at applying machine-learning techniques to identify distinct galaxies in the deepest JWST imaging surveys, producing the so-called segmentation maps, as well as simultaneously estimating photometric redshifts. We will test this methodology with simulated data mimicking the approved observations to be carried out within 2 surveys with significant involvement by CAB and UCM: CEERS and WDEEP. 

Sánchez Martínez

Solar Orbiter (SOLO) is the most recent ESA/NASA science mission to study the Sun and the inner heliosphere. In the next year of operation the SOLO spacecraft will approach the Sun as close as 0.3 astronomical units for the first time and allow unprecedented measurements with a comprehensive suite of in-situ and remote-sensing instruments. Eruptions on the Sun can lead to the direct injection of solar energetic particles (SEPs) or to the formation of plasma shocks that travel through interplanetary space and efficiently accelerate particles to high energies. Despite numerous observations of solar events up to the current date, we are still lacking a precise quantitative understanding of the involved plasma processes. The new data from Solar Orbiter is providing deeper insights into these processes due to the highly sensitive instrumentation and to the variable and mostly closer distance to the Sun compared to earlier missions. This allows a better disentanglement of particle injection, acceleration and transport mechanisms in the inner heliosphere. The student will utilize data from the Energetic Particle Detector (EPD) onboard Solar Orbiter to characterize major solar events in terms of their temporal evolution, particle composition and energy spectra, which can then be compared to theoretical models of particle acceleration and transport. In order to achieve this characterization the student will learn about the physics of solar particle events, the detection and operation principle of the EPD instrument, and typical analysis techniques for solar energetic particle data. On a practical level the student will develop the necessary data analysis tools in the python programming language and conduct a numerical analysis under close supervision with regular virtual meetings once or twice per week. At the end of the project the student will have the opportunity to present her/his work to the Heliophysics group at ESA.

Roco Moraleda

El telescopio espacial James Webb será lanzado el 18 de diciembre de 2021. Nuestra colaboración GATOS (Galactic Activity, Torus, and Outflow Survey, http://gatos.strw.leidenuniv.nl/) tiene dos propuestas de tiempo abierto del Ciclo 1 aceptadas con el instrumento MIRI del JWST para observar las regiones centrales de galaxias activas de tipo Seyfert en el Universo local. Las galaxias activas contienen en sus regiones nucleares (unas pocas decenas de parsecs) una gran cantidad de material (polvo y gas molecular) que absorbe en ciertas direcciones de visión la emisión del disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo. Este material tiene una configuración geométrica en forma de disco o toro que emite fundamentalmente en el rango espectral del infrarrojo. Además, estos núcleos activos lanzan vientos de gas y polvo debidos a la presión de radiación del AGN y presión de radiación sobre polvo.  En este proyecto proponemos simular nuestras  observaciones de JWST/MIRI con modelos de transferencia radiativa con una configuración geométrica de toro+viento. Uno de los objetivos  fundamentales de estas dos propuestas es acotar los parámetros de estos modelos. Para ello es primero necesario hacer una exploración detallada de las predicciones de los modelos. Primero haremos una comparación detallada de las distribuciones espectrales de energía en el infrarrojo con diferentes parámetros de los modelos y diferentes distribuciones del polvo. En segundo lugar simularemos observaciones 
con los filtros fotométricos del instrumento MIRI de nuestra propuesta (cubriendo el rango espectral entre 5 y 21 micras) tanto en flujo como en imágenes, para su posterior comparación con nuestras observaciones del Ciclo 1 del James Webb.

Hidalgo Pinilla

Las enanas blancas son el punto final en la evolución de las estrellas con una masa menor a 8-10 Msol. Los datos astrométicos y fotométricos del satélite Gaia han permitido definir los catálogos de enanas blancas más completos hasta la fecha, con unos 360 000 candidatos obtenidos con la EDR3. Sin embargo, la información espectral proporcionada por Gaia en estos momentos es limitada. Se ha complementado el catálogo de enanas blancas de Gaia con la fotometría del cartografiado J-PLUS (j-plus.es), obteniéndose una muestra de 5 926 objetos 12 puntos fotométricos de gran calidad en el óptico y se han derivado sus parámetros atmosféricos (Teff, logg, masa) y composición (DA, DB/DC, DZ). El objetivo del TFM es complementar el catálogo J-PLUS + Gaia con datos públicos en NUV del satélite GALEX y estudiar las propiedades de las distintas poblaciones de enanas blancas en diagramas color-color óptico-UV. La formación se centrará en el uso de bases de datos, cruce de catálogos astronómicos, estimación e interpretación de diagramas color-color y comprensión de las propiedades de las enanas blancas. Se valorará conocimiento previo en python.