Evolución de relaciones fundamentales de galaxias

Resumen

Las estrechas relaciones existentes entre parámetros fundamentales de galaxias, tanto espirales como elípticas, son un reflejo de su formación y evolución. Concretamente, la relación de Tully-Fisher y el Plano Fundamental son un indicativo de la relación existente entre la masa total y la masa luminosa de las galaxias. Ambas relaciones han sido de gran importancia para la astronomía extragaláctica, primero como indicadores de distancia, y posteriormente como un método para determinar la constante de Hubble, H_0. Además, cualquier modelo de formación y evolución de galaxias debe ser capaz de reproducir estas relaciones. Entender cómo es su evolución es, por tanto, de gran importancia y son numerosos los estudios que se han ocupado de ello. Sin embargo, en la actualidad las evidencias que existen acerca de la posible evolución de la relación de Tully-Fisher, tanto en la ordenada en el origen como en la pendiente, no son concluyentes, y los resultados varían de unos autores a otros. Lo mismo ocurre con la evolución del Plano Fundamental. Una de las razones principales de las discrepancias encontradas son los efectos de selección de las muestras utilizadas. Las limitaciones instrumentales aumentan a medida que se observan desplazamientos al rojo cada vez mayores, de forma que es difícil comparar muestras con el mismo rango de luminosidad. En el caso de los parámetros dinámicos, la dificultad reside por una parte en la visibilidad de las líneas utilizadas para determinar la velocidad, y por otra parte en la resolución espectral. En esta Tesis doctoral, hemos realizado un estudio de la relación de Tully-Fisher de las galaxias espirales, y del Plano Fundamental de las galaxias de tipo temprano, para muestras situadas a distintas distancias cosmológicas. Con el objetivo de minimizar las dificultades que surgen en los trabajos que comparan diferentes desplazamientos al rojo, se ha realizado un estudio detallado de los parámetros involucrados en la relación de Tully-Fisher y en el Plano Fundamental, así como de los distintos métodos utilizados para obtenerlos. Asimismo, se ha establecido una muestra local de referencia, a partir de datos obtenidos y analizados de forma similar a los de alto desplazamiento al rojo. En la primera parte de la Tesis, nos hemos centrado en estudiar la relación de Tully-Fisher en las bandas ópticas B, R e I, para una muestra de galaxias en 6 rangos de desplazamiento al rojo entre 0.1<z<1.3. Comparando la velocidad obtenida a partir de las anchuras de las líneas ópticas Halfa, [OIII], Hbeta y [OII], hemos encontrado que todas ellas proporcionaban resultados similares, aunque con una gran dispersión en el caso de Hbeta. También se ha analizado el mejor método para determinar la morfología de las galaxias de la muestra, optando finalmente por una clasificación visual. Las relaciones locales fueron construidas a partir de los datos en el rango 0.1<z<0.3, y resultaron ser consistentes con las relaciones locales que se encuentran en la literatura. Representamos los datos en los distintos rangos de z, fijando la pendiente local, y encontramos evidencia de una evolución en la ordenada en el origen de la relación de Tully-Fisher, muy similar en todas las bandas, de forma que las galaxias serían más brillantes a medida que nos vamos a desplazamientos al rojo más altos, para una velocidad de rotación fija. Sin embargo, los resultados no eran concluyentes ya que la posible evolución en luminosidad era del orden de la dispersión de la relación. A continuación, se amplió la muestra de galaxias en el rango de desplazamiento al rojo más alto, así como en el rango local (0.1<z<0.3), con el fin de confirmar la evolución encontrada en el trabajo anterior. Además de obtener la relación de Tully-Fisher en las bandas ópticas, se extendió el estudio al infrarrojo. A partir de la información óptica+infrarroja, se realizó un estudio sobre el mejor método para determinar la corrección-K, con el fin de obtener unas magnitudes absolutas más fiables. Las relaciones de Tully-Fisher en la muestra a 1.1<z<1.4 fueron obtenidas fijando nuevamente la pendiente al valor obtenido para las relaciones locales. La diferencia en el punto-cero obtenida para la banda B era equivalente, aunque algo menor, a la evolución encontrada en el trabajo anterior, de forma que las galaxias habrían sido más brillantes en el pasado que ahora. Sin embargo, a medida que nos íbamos hacia bandas más rojas, esta evolución era cada vez menos notable. En la banda I, la diferencia era ya menor de 1sigma, y en la banda K_S, la relación local y a alto z eran prácticamente iguales. Debido a las controversias existentes con respecto a la pendiente de la relación de Tully-Fisher local en la banda K_S, que parece dependiente del rango de luminosidad de la muestra, usamos los datos simulados de Millenium para obtener una relación local en el mismo rango de luminosidad que los datos a alto z. Al comparar nuestra muestra con la nueva relación local obtuvimos el mismo resultado, confirmando la no evolución de la relación de Tully-Fisher en la banda K_S. A continuación, representamos los colores (R-I) y (V-K_S) frente a la velocidad de rotación para las galaxias locales y a alto-z. Encontramos en ambos casos una evolución de 0.3 mag, en el sentido de que las galaxias habrían sido más azules en el pasado que ahora, que podría interpretarse como un envejecimiento de las poblaciones estelares como consecuencia del decrecimiento de la tasa de formación estelar desde z=1.25. Además, encontramos que las galaxias espirales podrían haber doblado su masa estelar en los últimos 8.6 Gyr. Finalmente, estudiamos la evolución del Plano Fundamental en las bandas B y g, para una muestra de galaxias de tipo temprano en el rango 0.2<z<1.2. Asumiendo que el radio efectivo y la dispersión de velocidades no evolucionan con el desplazamiento al rojo, encontramos que las galaxias a un <z>=0.7 eran 0.68 mag más brillantes en la banda B y 0.52 mag más brillantes en la banda g, que sus contrapartidas locales. Sin embargo, encontramos que la dispersión de la relación para la muestra a alto-z se reducía a la mitad cuando permitíamos un cambio en la pendiente del plano, sugiriendo una evolución diferente de las galaxias en función de sus propiedades internas. A partir del estudio de la relación de Kormendy a distintos desplazamientos al rojo, encontramos la existencia de una población de galaxias muy brillantes y compactas que es casi inexistente a z=0. La evolución de estos objetos compactos es principalmente causada por un aumento en tamaño que puede ser explicado por la acción de fusiones menores secas, más eficaces incrementando el tamaño de las galaxias que la masa estelar. Estos objetos brillantes y compactos serían los responsables de la evolución encontrada en el Plano Fundamental.