Stellar populations and kinematics of the fornax dsph galaxy

Resumen

La formación de galaxias y su evolución es a día de hoy una cuestión por resolver. En el escenario Lambda-CDM, las galaxias enanas son los componentes básicos de los cuales se forman las galaxias más grandes. Las enanas que observamos hoy en día podrían ser sistemas supervivientes que todavía no se han fusionado con galaxias más grandes y pueden por tanto, contener el registro fósil de la evolución temprana del Universo. Los procesos que han repercutido en la formación y evolución de estas galaxias podrían haber dejado su impronta en sus historias de formación estelar (SFHs), o en la distribución espacial o la químico-dinámica de sus estrellas. Dichos procesos incluyen la retroalimentación por supernovas, las interacciones de marea con sistemas cercanos, fusiones con otras galaxias, así como factores ambientales cósmicos como la temprana reionización del Universo por la radiación UV a z~6. La caracterización de estos sistemas puede entonces arrojar luz sobre los mecanismos físicos involucrados en la evolución y formación de las galaxias. En esta Tesis se presenta un estudio exhaustivo de la galaxia esferoidal enana (dSph) de Fornax, uno de los nueve satélites clásicos esferoidales de la Vía Láctea. Fornax es probablemente la más interesante de las esferoidales enanas: es, junto con la enana de Sagitario, la más grande y masiva de las satélites de la Vía Láctea, y también junto con Sagitario, las dos únicas que poseen cúmulos globulares. Sus especiales características la han convertido en objeto de estudio (y debate) desde su descubrimiento por Harlow Shapley en 1938. Con el presente trabajo, contribuimos al conocimiento general de esta galaxia analizándola desde estos tres puntos de vista ya mencionados: su historia de formación estelar detallada, la distribución espacial de sus estrellas y su dinámica. Para ello, nos basamos en datos fotométricos profundos y de gran campo, así como de velocidades en la línea de visión y metalicidades adquiridas mediante técnicas espectroscópicas. Nuestros resultados muestran que Fornax posee la historia de formación estelar más extendida en el tiempo de todas las esferoidales enanas del Grupo Local (junto con Leo I). Encontarmos estrellas con edades que comprenden desde más de 12 giga-años a 500 mega años o incluso más jóvenes. Las estrellas jóvenes se concentran mayormente en las regiones centrales de la galaxia, donde el pico principal de formación estelar se encuentra retrasado unos ~2 giga-años con respecto al observado en regiones más externas del núcleo (ocurrido hace 10 giga-años). La distribución espacial de sus poblaciones estelares es irregular, y solo en el caso de las estrellas de edad intermedia o vieja, sigue una distribución esferoidal. Se confirma la detección de estructuras en forma de concha, así como de grupos de estrellas no alineadas con el eje mayor óptico del sistema. Este resultado sugiere la acreción de material con un momento angular diferente al de Fornax. Presentamos también un novedoso análisis de la químico-dinámica de Fornax, usando una herramienta desarrollada durante la Tesis, BEACON. Mediante dicho análisis se ha detectado por primera vez, de manera inequívoca, la señal de rotación de esta galaxia. Fornax rota a una velocidad de ~12 kms¿¹ sobre su eje menor óptico (medida a la distancia del núcleo), lo que demuestra que Fornax está parcialmente soportado por rotación. Sin embargo, a esta señal de rotación no contribuyen todas las estrellas de Fornax. Detectamos un cambio importante en la dirección de rotación de las estrellas a z~1 (~8 giga-años). Las estrellas más jóvenes muestran órbitas más caóticas, con velocidades relativas superiores. Fornax parece haber sufrido algunos efectos por interacciones de marea durante sus órbitas alrededor de la Vía Láctea. Las estrellas lo suficientemente viejas (> 6 giga-años) como para haber sufrido al menos dos pasos cercanos de Fornax con la Vía Láctea (perigalacticon), muestran perfiles radiales que ajustan bien a esferas isotermas truncadas (perfiles de King), mientras que las más jóvenes son mejor ajustadas por perfiles de Sersic. El primero de estos pasos por el perigalacticon (hace ~9.8 giga-años) coincide con una pérdida casi completa de la rotación de la galaxia. El segundo paso ocurrió durante un incremento en la señal de rotación (hace ~6.2 giga-años). Estos resultados son compatibles con un escenario de interacción de marea entre Fornax y la Vía Láctea, dada la orientación opuesta observada en el momento angular de la galaxia durante sus perigalacticons. Proponemos que Fornax podría ser el resultado de una fusión entre dos galaxias ocurrida a z~1. El material expulsado durante el proceso de fusión se habría mantenido ligado al pozo de potencial de la galaxia resultante y recapturado giga-años más tarde. El hecho de que Fornax conserve algo de rotación sugiere que al menos uno de los progenitores habría sido una galaxia con rotación importante. Las conclusiones más importantes que se derivan de esta tesis son: - Hemos obtenido los diagramas color-magnitud (CMDs) terrestres más profundos hasta la fecha de la galaxia esferoidal enana de Fornax. Estos permiten resolver el oMSTO con errores pequeños y una completitud superior al ~75 % para la región más interna, y ~90 % para las regiones más externas al núcleo (r ~10'). Estos CMDs se han utilizado para derivar la historia de formación estelar de Fornax con una precisión sin precedentes. - Fornax muestra la más reciente actividad de formación estelar de entre todas las esferoidales enanas del Grupo Local (junto con Leo I). Comenzó hace aproximadamente 12 giga-años, y ha durado cerca de un ``tiempo de Hubble'', con estrellas de 500 mega-años de edad o incluso más jóvenes. - Su historia de formación estelar es compleja, mostrando fuertes gradientes espaciales y diferentes períodos de actividad de formación estelar. Hacia el norte del núcleo de la galaxia, el estallido principal de la formación estelar ocurrió hace ~10 giga-años. Esta se retrasó ~2 giga-años en las regiones más internas del núcleo (hace ~8 giga-años). La relación edad-metalicidad (AMR) de Fornax es bastante plana en las regiones más internas, y menos en las externas. La metalicidad promedio se ha mantenido baja ([Fe/H] ~ -1.1). - La historia de formación estelar de Fornax se ve poco afectada por la retroalimentación por supernovas, así como por la reionización del Universo por radiación ultravioleta (z~6). Esto sería consistente con los modelos de Sawala et al. (2010) en el caso de que la masa total de Fornax estuviese por encima de 8 x 10¿ M(Sol), como sugiere Walker et al. (2006). - Fornax muestra fuertes asimetrías en la distribución espacial de sus poblaciones estelares. Las estrellas más viejas (10-13.5 giga-años), siguen una distribución esférica truncada, que se extiende mucho más allá del radio del núcleo de las estrellas de la rama de gigantes rojas (RGB). Las estrellas más jóvenes, sin embargo, muestran fuertes asimetrías así como grupos concentrados de estrellas no alineados con los ejes ópticos del sistema. - El ajuste de isopletas a la densidad superficial estelar muestran variaciones importantes en función de la distancia galactocéntrica y de la edad de las estrellas. Esto puede indicar una posible interacción de marea con la Vía Láctea. - Se han ajustado modelos de King, Plummer y Sersic a los perfiles de densidad estelar, obteniendo los parámetros de los ajustes en una dimensión. Sólo las estrellas más viejas se pueden modelar adecuadamente por perfiles 1-dimensionales. - Las estrellas jóvenes se concentran en las partes centrales de la galaxia, mostrando longitudes de escala mucho más pequeñas. Las estrellas de menos de 2-3 giga-años muestran una distribución elongada no alineada con ninguno de los ejes principales de Fornax. - El cúmulo de estrellas encontrado por Coleman et al. (2004), parece ser en realidad la proyección en el cielo de una corriente de estrellas. Esto sugiere la caída de material en Fornax con un momento angular diferente a la sostenida por las estrellas más viejas. - Fornax rota. Esta conclusión se desprende del estudio de las velocidades en la línea de visión, y la metalicidad de un conjunto de más de 2.500 estrellas medidas mediante técnicas espectroscópicas. El eje principal de rotación coincide con el eje menor óptico de la galaxia. Esto sugiere fuertemente que Fornax es un sistema triaxial y que está, al menos parcialmente, soportada por rotación. - Varias corrientes de estrellas con diferentes patrones químico-dinámicos han sido detectadas en Fornax. Esto indica que Fornax es un sistema bastante complejo con varias componentes de rotación. - Hemos obtenido la edad promedio de los grupos de estrellas con los patrones químico-dinámico similares. Con esta información, hemos derivado la historia de rotación de la galaxia. Las estrellas más viejas ( > 8 giga-años) giran principalmente sobre el eje óptico menor de la galaxia. Hace aproximadamente 8 giga-años (z~1), Fornax sufrió un importante cambio en la orientación de su momento angular general. Dicha orientación ha ido progresivamente recuperandose hasta la original. Las estrellas con edades comprendidas entre 8 y 4 giga-años muestran patrones de rotación más caóticos. Por último, estrellas más jóvenes de 3 giga-años parecen girar alrededor de la dirección norte. Esto es compatible con la distribución alargada de oeste a este observada en la distribución espacial de las estrellas más jóvenes. - Llegamos a la conclusión de que las fuertes diferencias observadas en la historia de formación estelar en función del radio, la relación edad-metalicidad relativamente plana, junto con las distribuciones espaciales diferenciadas y los cambios en los patrones de rotación de las estrellas en función de su edad, están estrechamente relacionados. Proponemos una fusión entre dos galaxias entorno a z~1 como escenario más plausible para el origen de Fornax, y explicar todas sus características. - Hemos desarrollado un nuevo software, BEACON, que es capaz de detectar patrones químico-dinámicos entre estrellas de diferentes poblaciones estelares en base a su metalicidad y su velocidad en la línea de visión. BEACON ha demostrado ser una herramienta poderosa, siendo capaz de detectar señales de rotación en sistemas complejos como Fornax. BIBLIOGRAFÍA: Coleman et al. 2004, AJ, 127, 832 Sawala et al. 2010, MNRAS, 402, 1599 Walker et al. 2006, AJ, 131, 2114