Galactic Bulges, spinning black holes and star forming galaxies in their cosmological context: insights from a semi-analytical perspective

Durante las últimas décadas, los astrofísicos han desarrollado una teoría sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias. A pesar de ser exitosa en muchos aspectos, todavía tiene ciertas limitaciones que trabajos teóricos y observacionales están tratando de resolver. En esta tesis, contribuimos con estos trabajos teóricos abordando tres temas diferentes: bulbos galácticos, agujeros negros supermasivos y el desarrollo de catálogos simulados para la nueva generación de cartografiados de banda estrecha. Hemos abordado todos estos temas utilizando el modelo semianalítico L-Galaxies . A grandes rasgos, los modelos semianalíticos consisten en seguir la evolución de la componente bariónica del Universo utilizando aproximaciones analíticas aplicadas a “árboles” de fusiones de materia oscura. L-Galaxies es uno de los modelos más avanzados de la literatura, cuya capacidad para predecir las propiedades correctas de las galaxias en diferentes tiempos cosmológicos ha sido probada durante la última década en muchos trabajos. Una de las principales ventajas de L-Galaxies es la capacidad de se ejecutado en los árboles de fusiones de materia oscura extraídos de las simulaciones Millennium cuyas diferencias en tamaños de caja y resolución en masa de materia oscura ofrecen la posibilidad de explorar los procesos físicos experimentados por la las galaxias en una amplia variedad de escalas y entornos. En la primera parte de la tesis, abordamos la formación de bulbos galácticos con especial énfasis en la población de pseudobulbos, cuya evolución en un universo jerárquico no ha sido del todo explorada. Concretamente, estudiamos su proceso de formación y caracterizamos las propiedades de sus galaxias anfitrionas a diferentes tiempos cosmológicos. Dentro del marco que nos proporciona L-Galaxies , las galaxias son capaces de desarrollar un bulbo a través de fusiones con otras galaxias e inestabilidades de disco. Suponiendo que los pseudobulbos solo pueden formarse y crecer a través de una evolución secular, hemos modificado el tratamiento de las inestabilidades del disco de L-Galaxies asumiendo que solo los eventos de inestabilidad esencadenados por procesos seculares conducen a estructuras de barra duraderas que finalmente forman y desarrollan pseudobulbos. Hemos aplicado este escenario en L-Galaxies ejecutado sobre los árboles de fusiones de Millennium y Millennium II. Los resultados del modelo están en concordancia con las observaciones, mostrando que los pseudobulbos en el universo local son estructuras pequeñas ( 0:5 kpc) alojadas en galaxias similares a la Vía Láctea. Estos resultados son alentadores y respaldan nuestra principal suposición subyacente de que la estructura de pseudobulbo se forma principalmente a través de una evolución secular. Hemos ampliado nuestro análisis de pseudobulbos estudiando el comportamiento del criterio de inestabilidad de disco utilizada por L-Galaxies cuando es aplicada a una muestra de galaxia con y sin barra extraída de la simulación hidrodinámica cosmológica TNG100, actualmente una de las simulaciones más completas disponible. A pesar de encontrar una correlación entre las predicciones del criterio analítico y el (no) ensamblaje real de las galaxias con (no) barra, hemos detectado casos en los que el criterio analítico falla, ya sea afirmando estabilidad del disco para galaxias barradas o inestabilidad del disco para las galaxias sin barra. Por ello, hemos propuesto una condición nueva adicional para ser combinada con el criterio de L-Galaxies . Esta combinación mejora la detectabilidad de barras y reduce la contaminación de falsas galaxias barradas. La segunda parte de la tesis explora el ensamblaje en masas y la evolución del espín de los agujeros negros supermasivos a lo largo del tiempo cosmológico. Para ello, hemos actualizado el modelo L-Galaxies , incluyendo nuevos procesos físicos. Hemos asumido que el crecimiento de los agujeros negros se desencadena principalmente a través de la acumulación de gas frío después de fusiones de galaxias o inestabilidades de disco. Este crecimiento tiene lugar a través de una etapa de acrecimiento rápido seguida de un una lenta. Durante estas fases, la evolución del espín del agujero negro es calculada usando de las propiedades morfológicas del bulbo en el que reside. Las predicciones del modelo muestran una buena compatibilidad con los resultados observacionales como la función de masa de los agujeros negros, la distribución de sus valores de espín, la relación entre la masa del bulbo y la del agujero negro y las funciones de luminosidad. Una de las principales novedades de esta tesis ha sido utilizar el modelo explicado anteriormente para explorar la formación y evolución de la población de agujeros negros errantes, es decir, una población que se encuentra fuera de las galaxias en órbitas cerradas dentro de los subhalos de materia oscura. Hemos descubierto que la formación de este tipo de agujeros negros errantes deja una huella en la co-evolución entre el agujero negro y la galaxia anfitriona, pudiendo ser detectada por los estudios de galaxias actuales y futuros.Finalmente, la tercera parte de la tesis aborda el desarrollo de catálogos simulados especialmente diseñados para la nueva generación de cartografiados fotométricos de banda estrecha. Con este fin, hemos incluido la construcción de un cono de luz dentro de L-Galaxies incorporando en la fotometría de las galaxias simuladas el efecto de líneas de emisión producidas en regiones de formación estelar. Esto último ha asegurado la capacidad de los catálogos para predecir correctamente la fotometría de galaxias en filtros de banda estrecha. Para determinar el flujo exacto en estas líneas hemos utilizado un modelo de emisión nebular y de atenuación por el polvo capaz de predecir el flujo emitido por 9 líneas diferentes: Ly, H , H , [OII], [OIII], [NeIII], [OI], [NII] y [SII]. La validación de nuestro cono de luz se ha realizado comparando con diversas observaciones el número de galaxias detectado en diferentes filtros, la distribución angular de galaxias y las funciones de luminosidad de las líneas H , H , [OII] y[OIII]5007. Hemos utilizado todos estos procedimientos para generar catálogos especialmente diseñados para J-PLUS, un cartografiado fotométrico de galaxias que presenta una gran cantidad de filtros de banda estrecha. Al analizar estos catálogos hemos demostrado la capacidad del cartografiado para identificar correctamente la población de galaxias con líneas de emisión a diferentes tiempos cosmológicos.Como resumimos anteriormente, en esta tesis hemos abordado varios aspectos relacionados con la formación de galaxias, tratando de unir enfoques teóricos y observacionales. Sin duda alguna, el avance de los modelos teóricos combinado con los datos de experimentos futuros ayudará a construir una imagen más detallada de cómo se forman y evolucionan las estructuras en nuestro Universo.During the last decades, astrophysicists have developed a theory about how galaxies form and evolve within the Lambda-CDM cosmological framework. Despite being successful in many aspects, this general picutre has still some missing pieces that observational and theoretical works are trying to put all together. In this thesis, we try to answer to some open problems by addressing three different topics: galactic bulges, supermassive black holes and the development of mocks for the new generation of multi-narrow band surveys. We have tackled all these subjects by using the L-Galaxies semi-analytical model (SAM). Roughly, SAMs consist of dark matter merger trees populated with galaxies through analytical recipes. L-Galaxies is one of the state-of-the-art models whose capability to predict the correct galaxy properties at different redshifts has been proven during the last decade in many works. One of the main advantages of L-Galaxies is its flexibility to be run on the dark matter merger trees of the Millennium suite of simulations whose different box sizes and dark matter mass resolution offer the capability to explore different physical processes undergone by galaxies over a wide range of scales and environments. In the first part of the thesis, we address the cosmological build-up of galactic bulges with special focus on pseudobulges, whose cosmological evolution in a Lambda-CDM Universe has not been fully explored yet. In particular, we study their formation process and characterize the properties of their host galaxies at different redshifts. Within the L-Galaxies framework, galaxies are allowed to develop a bulge component via mergers and disk instabilities (DIs). Under the hypothesis that pseudobulges can only form and grow via secular evolution, we have modified the treatment of galaxy DIs. In detail, we assumed that only secular DI events lead to the development and growth of pseudobulges through the formation of long-lasting bar structures. We have applied this pseudobulge formation scenario to L-Galaxies, run on top of the Millennium and Millennium II dark matter merger trees. The outcomes of the model are in agreement with observations, showing that z=0 pseudobulges are small structures ~0.5 [kpc] hosted in main-sequence Milky Way-type galaxies. These results give support to our main underlying assumption that pseudobulge structure mainly form via secular evolution. We have extended our analysis of pseudobulge structures studying the performance of the DI criterion used by L-Galaxies when it is applied on a barred and unbarred galaxy sample of the cosmological hydrodynamical simulation TNG100. Despite finding a correlation between the analytical criteria predictions and the actual bar assembly (non-assembly) shown in the barred (unbarred) galaxies, we have detected cases where the analytical criterion fails, either claiming disk stability for barred galaxies or disk instability for the stable unbarred disks. We have proposed a new extra condition whose combination with the L-Galaxies criterion improves the detectability of bar structures and reduces both the contamination of fake barred galaxies and the number of undetected bar formation events. The second part of the thesis explores the mass assembly and spin evolution of supermassive black holes (BHs) across cosmic time. For this objective, we have updated L-Galaxies with new physical prescriptions. We have assumed that BH-mass assembly is mainly triggered by gas accretion after galaxy mergers or disk instabilities, and it takes place through a stage of rapid growth followed by a regime of slow accretion rates. During these phases, the BH spin evolution is followed by linking it with the morphological properties of the hosting bulge. The model predictions display a good consistency with some local observables, such as the black hole mass function, spin values distribution, BH-bulge mass relation and quasar luminosity functions. One of the main novelties of this thesis has been to use the BH model previously explained for exploring the formation and evolution of the wandering black hole population, i.e the population of BH outside of galaxies in bound orbits within the dark matter subhalos. We have found that the formation of these type of wandering black holes leave an imprint in the co-evolution between the black hole and the host galaxy which can be detected by current and future galaxy surveys. Finally, the third part of the thesis tackles the construction of mocks specially designed for the new generation of narrow-bands surveys. For this, we have inserted the lightcone assembly inside L-Galaxies, including in the photometry of the simulated galaxies the effect of emission lines produced in starforming regions. The latter has ensured the mock capability to correctly predict the galaxy photometry in narrow band filters. To determine the exact flux of emission lines we have used a model for the nebular emission in star-forming regions, coupled with a dust attenuation model, able to predict the flux emitted in 9 different lines. The validation of our lightcone has been done by comparing galaxy number counts, angular clustering, and Halpha, Hbeta, OII and OIII luminosity functions to a compilation of observations. We have applied all these procedures to generate catalogues tailored for J-PLUS, a large optical galaxy survey featuring a large number of narrow band filters. By analysing the J-PLUS mock catalogues, we have proved the ability of the survey to correctly identify a population of emission-line galaxies at various redshifts. As we summarize above, in this thesis we have tackled several aspects related to the details of galaxy formation, trying to bridge theoretical and observational approaches. The advance of theoretical models combined with the data from future experiments will certainly help to complete a detailed picture of how structures in our Universe form and evolve.<br /

EVALUATION OF METHODOLOGICAL RECOMMENDATIONS TO EDUCATE IN THE TEACHING-LEARNING PROCESS OF MATHEMATICS

The article evaluates the methodological recommendations for education in the teaching-learning process of Mathematics in the Cuban pre-university. The investigation implicates professors of this educational level from Santa Clara city. The methodological recommendations facilitate the incorporation of the educational components, based on the value of the teaching content, in the subject's classes. The objective is to evaluate in the pedagogical practice the methodological recommendations by the teachers. The qualitative methodology is used; specifically, the practical action research, to obtain the necessary information about the domain of the methodological recommendations, the general objectives, the search for information and its mathematization, the formulation of problems, and the direction of educational assessments by their students. The participating teachers applied the methodological recommendations in their practice with remarkable results, managing to incorporate education through instruction in their classes.El artículo presenta la evaluación de las recomendaciones metodológicas para educar en el proceso de enseñanza-aprendizaje de la Matemática en el preuniversitario cubano. En la investigación participan docentes de este nivel de la ciudad de Santa Clara. Las recomendaciones metodológicas facilitan la incorporación de los componentes educativos, a partir del valor del contenido de la enseñanza en las clases de la asignatura. El objetivo es evaluar en la práctica pedagógica las recomendaciones metodológicas por parte de los docentes. Se utiliza la metodología cualitativa, específicamente la investigación acción práctica para obtener la información necesaria acerca del dominio de las recomendaciones metodológicas, de los objetivos generales, la búsqueda de información y su matematización, la formulación de problemas y la dirección de las valoraciones educativas por parte de los estudiantes. Los docentes participantes aplicaron las recomendaciones metodológicas en su práctica con notables resultados, y lograron incorporar la educación mediante la instrucción en sus clases

Sistema de medios de enseñanza audiovisuales para la motivación en Formación Agropecuaria (Original).

The article deals with the motivation in the Agricultural Training subject, in the Bachelor of Education. Biology, to achieve it, audiovisual teaching aids are incorporated. This subject focuses on agricultural education and deals little with education that should have been its essence. As an objective: to elaborate a system of audiovisual teaching aids was developed for agricultural training. Theoretical and empirical methods were used in the elaboration of the system and a qualitative analysis of its partial implementation was carried out. The system includes the context in which it was developed, its subsystems and its functionality. The results of its partial implementation are offered: an increase in student motivation by incorporating the education through audiovisual teaching aids.El artículo trata la motivación en la asignatura Formación Agropecuaria, en la Licenciatura en Educación, Biología. Para lograrla, se incorporan medios de enseñanza audiovisuales. Esta asignatura se enfoca en la enseñanza agropecuaria y se ocupa poco de lo educativo que debió ser su esencia. Como objetivo se propuso: elaborar un sistema de medios de enseñanza audiovisuales para &nbsp;la motivación en &nbsp;Formación Agropecuaria. Se utilizaron métodos teóricos y empíricos en la elaboración del sistema y se realizó un análisis cualitativo de su implementación parcial. El sistema incluye el contexto en que se desarrolló, sus subsistemas y su funcionalidad. Se ofrecen los resultados de su implementación parcial: &nbsp;un aumento en la motivación de los estudiantes al incorporar lo educativo mediante los medios de enseñanza audiovisuales

Methodology for the implementation of e-Health services for chronic patient monitoring and control

A methodology is presented for a smooth, orderly implementation of specific e-Health services for monitoring chronic patients outside of the hospital setting. Identified as a stage-gate model for the management of the overall implementation process, this methodology is presented formally structured into three steps: a) exploratory examination (pilot project stage); 2) in-depth evaluation (clinical trial stage); and 3) deployment (guided use stage). In the first stage, controlled by the R+D team, the predominant criiteria are the functionality and usability of the technologies involved. In the second stage, controlled by an associated Health Technology Evaluation Agency, the predominant criterion is the scientific aspect related to the results obtained in the clinical testing. The third stage is controlled through decisions made by the health administrations as to the implementation of new technologies and the financing thereof. A description is provided as to the requirements of the technological platform designed to serve its the medium for the projects and tests from stage 1 and 2. As an example of what is done in stage 2, a description is given of a trial related to hypertension. Se presenta una metodología para la introducción progresiva yordenada de servicios específicos de e-Salud para el seguimientoextrahospitalario de pacientes crónicos. Identificado como un mode-lo de pasos con filtro para la gestión del proceso global de introduc-ción, se presenta formalmente estructurado en tres pasos: 1) explora-torio (fase de proyecto piloto); 2) evaluación en profundidad (fase deensayo clínico), y 3) despliegue (fase de uso tutelado). En la primerafase, controlada por el equipo de I+D, los criterios predominantesson los de funcionalidad y utilidad de las tecnologías involucradas.En la segunda fase, controlada por una Agencia de Evaluación deTecnologías Sanitarias, prevalece el criterio científico asociado conlos resultados obtenidos en el ensayo clínico. La tercera fase es con-trolada por decisiones de las administraciones sanitarias sobre laintroducción de nuevas tecnologías y su financiación. Se describenlos requerimientos de la plataforma tecnológica diseñada para sopor-tar los proyectos y ensayos de las fases 1 y 2. Como ejemplo deactuación en la fase 2 se describe un ensayo sobre hipertensión arte-rial

Impact of Scale Dependent Bias and Nonlinear Structure Growth on the ISW Effect: Angular Power Spectra

We investigate the impact of nonlinear evolution of the gravitational potentials in the LCDM model on the Integrated Sachs-Wolfe (ISW) contribution to the CMB temperature power spectrum, and on the cross-power spectrum of the CMB and a set of biased tracers of the mass. We use an ensemble of N-body simulations to directly follow the potentials and compare results to perturbation theory (PT). The predictions from PT match the results to high precision for k<0.2 h/Mpc. We compute the nonlinear corrections to the angular power spectrum and find them to be <10% of linear theory for l<100. These corrections are swamped by cosmic variance. On scales l>100 the departures are more significant, however the CMB signal is more than a factor 10^3 larger at this scale. Nonlinear ISW effects therefore play no role in shaping the CMB power spectrum for l<1500. We analyze the CMB--density tracer cross-spectrum using simulations and renormalized bias PT, and find good agreement. The usual assumption is that nonlinear evolution enhances the growth of structure and counteracts linear ISW on small scales, leading to a change in sign of the CMB-LSS cross-spectrum at small scales. However, PT analysis suggests that this trend reverses at late times when the logarithmic growth rate f(a)=dlnD/dlna<0.5 or om_m(a)<0.3. Numerical results confirm these expectations and we find no sign change in ISW-LSS cross-power for low redshifts. Corrections due to nonlinearity and scale dependence of the bias are found to be <10% for l<100, therefore below the S/N of the current and future measurements. Finally, we estimate the CMB--halo cross-correlation coefficient and show that it can be made to match that for CMB--dark matter to within 5% for thin redshift shells, mitigating the need to model bias evolution.Comment: 27 pages, 19 figure. Hi-res. version: http://www.itp.uzh.ch/~res/NonlinearISW.HiRes.pd