2d kinematic characterization of a representative sample of local (u)lirgs. A `kinemetry' analysis based on vimos/vlt integral field spectroscopy

Resumen

Las galaxias luminosas y ultraluminosas infrarrojas (LIRGs, LIR = [8-1000 um] = 1011 - 1012 L_sun, y ULIRGs, LIR > 1012 L_sun, respectivamente) alojan los eventos más extremos de formación estelar encontrados en el universo local. Aunque estos objetos no son comunes localmente, son más numerosos a alto redshift (z) y contribuyen de forma importante a la densidad de tasa de formación estelar del universo mas allá de z ~ 1. Inicialmente, se pensaba que las (U)LIRGs locales eran el equivalente local a las (U)LIRGs a alto z, como las descubiertas por Spitzer y las más luminosas galaxias sub-milimétricas (SMGs). Recientemente, varios autores han encontrado que las (U)LIRGs locales tienen tasas de formación estelar (SFR) similares a las galaxias normales dominadas por formación estelar (SFGs) a alto z. Por lo tanto, las (U)LIRGs locales ofrecen una oportunidad única para estudiar, con alta resolución espacial y buena relación señal-ruido, eventos de formación estelar extremos y compararlos con los que se observan en el universo lejano. Además, su análisis permite evaluar los métodos y las técnicas generalmente aplicadas a alto z. La caracterización cinemática de galaxias a alto z es particularmente relevante e interesante para entender mejor como las galaxias se han formado y evolucionado durante las primeras épocas del universo. La caracterización cinemática de las galaxias en discos y mergers es esencial dado que su fracción relativa contribuye a acotar de forma importante los diferentes escenarios evolutivos. Esta tesis está enfocada a la caracterización cinemática 2D de una muestra de 38 sistemas de (U)LIRG locales (51 galaxias individuales) observadas con la unidad de es- pectroscopía de campo integral del instrumento VIMOS/VLT. Esta muestra extiende significativamente otras muestras previas en número y en características, presentando una gran variedad de fases dinámicas: desde los discos más aislados en el caso de LIRGs de baja luminosidad a galaxias que han sufrido un major merger (ULIRGs). De la misma manera, esta muestra es el primer intento para obtener un estudio estadísticamente signi- ficativo de las propiedades cinemáticas 2D de estos sistemas en función de la luminosidad infrarroja, la morfología (fase de interacción) y el estado dinámico. La mayoría de las fuentes (31/38) cubren el rango de baja luminosidad (LIRG) poco estudiado hasta ahora: esto es importante porque estas galaxias tienen propiedades cinemáticas intermedias entre las que caracterizan los casos extremos (ULIRGs) y las poblaciones de galaxias locales dominadas por formación estelar. De esta forma se complementan los estudios previos principalmente centrados en el rango de alta luminosidad (ULIRG). Por lo tanto, el rango de luminosidad cubierto por nuestra muestra tiene particular relevancia para la compara- ción con muestras a alto z, dado que las (U)LIRGs locales tienen tasas de formación estelar parecidas a las que caracterizan las SFGs a alto z. Por otro lado, para extender el rango de luminosidad hemos incluido una sub-muestra formada por 25 ULIRGs obser- vadas con INTEGRAL/WHT. Los principales resultados y conclusiones de esta tesis son los siguientes: - Cinemática espacialmente resuelta en las (U)LIRGs Caracterizamos el estado cinemático de la muestra derivando las propiedades 2D de dos componentes cinemáticas distintas (`estrecha' y `ancha'). La componente `sistémica/estrecha' se encuentra en todo el campo de emisión del sistema mientras la componente `ancha', en general, está localizada en las regiones centrales (resueltas es- pacialmente) de la mayoría de las LIRGs y ULIRGs, y probablemente traza outflows. La componente sistémica traza el campo de velocidad global y muestra una gran variedad de estructuras cinemáticas en 2D: la mayoría de los objetos (76%) están dominados por rotación. Se encuentra una anti-correlación entre la rotación y la luminosidad infrarroja: la fracción de objetos con cinemática compleja es mayor entre las ULIRGs que entre las LIRGs. Se ha encontrado una clara correlación entre las diferentes fases en el proceso de fusión y las propiedades cinemáticas promedio inferidas a partir de los mapas de velocidad. En particular, discos aislados, galaxias en interacción y sistemas en fase de fusión definen una secuencia caracterizada por una dispersión de velocidad promedio creciente y una ampli- tud del campo de velocidad decreciente, los cuales están caracterizados por un cociente intrínseco dinámico promedio (v/sigma) de 4.7, 3.0, y 1.8, respectivamente. En términos de soporte dinámico observado (v/sigma), la muestra abarca el rango entre las espirales locales y las E/S0s. Los valores de las LIRGs clasificadas como discos aislados se superponen parcialmente con los valores de las espirales locales, con la diferencia de que las LIRGs presentan turbulencias más elevadas y discos más gruesos. Sistemas en interacción y en fase de fusión tienen valores más cercanos a los que se derivan para las galaxias E/S0 con baja dispersión de velocidad, aunque presentan amplitudes de velocidad mas altas. Nuestras estimaciones de las masas dinámicas indican que ULIRGs son más masívas que las LIRGs en un factor 2 en promedio. La subclase de (U)LIRGs clasificadas como mergers y las Lyman break analogs (LBAs) comparten ciertas propiedades cinemáticas similares, aunque la masa dinámica de las LBA es 5 veces más pequeña en promedio. Este resul- tado indica claramente que, independiente de la masa de un sistema y de su cantidad de polvo, los vientos generados por eventos de formación estelar y fuerzas de marea inducidas producen sistemas dinámicos calientes caracterizados por sigma ~ 70-80 km/s y v/sigma ~ 1-2. - Diferenciando los discos de los mergers: asimetrías cinemáticas en (U)LIRGs locales usando criterios basados en en método kinemetry Con el fin de cuantificar la importancia relativa de las asimetrías cinemáticas con respecto a la rotación en los sistemas (U)LIRGs, nuestro análisis se ha basado en el uso del método kinemetry (desarrollado por Krajnovic et al. 2006) junto a los criterios cinemáticos propuestos por Shapiro et al. 2008. Con el análisis de una sub-muestra de 4 LIRGs con la morfología claramente definida, hemos desarrollado un nuevo criterio optimizado (i.e.,`ponderado', Bellocchi et al. 2012) para diferenciar mejor las galaxias de tipo `disco' de aquellas en la fase de `post¿-coalescencia. Asimismo aplicamos ambos criterios (el de Shapiro y el ponderado) a la muestra completa de (U)LIRGs, estudiando así su robustez frente a los efectos de resolución angular (distancia) basados en observaciones simuladas de estos objetos a z=3 con la resolución angular de NIRSpec/JWST. Las propiedades cinemáticas de las (U)LIRGs derivadas usando el método de kineme- try son, en general, consistentes con sus morfologías (discos aislados muestran mapas cinemáticos caracterizados por asimetrías cinemáticas bajas mientras que las galaxias en fase de coalescencia y post-coalescencia tienen asimetrías cinemáticas mas altas). Sin embargo, se han encontrado discrepancias entre la clasificación morfológica y cinemática, lo que hace que el análisis esté sujeto a incertidumbres relativamente grandes cuando los objetos tienen una asimetría cinemática global (Ktot) entre 0.19 < Ktot < 0.9. Fuera de este rango, discos regulares y galaxias en fase de fusión muy complejas son fácilmente identificables. Este comportamiento se encuentra cuando se aplican los dos métodos, los cuales dan resultados parecidos cuando se considera la muestra entera. De este análisis se puede concluir que en unos casos clasificar los sistemas como discos/`mergers' con criterios basados en kinemetry tiene sus incertidumbres, y que el resultado claramente depende de la definición de disco y `merger'. El límite de asimetría para separar discos y `mergers' sugerido por nuestros datos es significativamente inferior al que Shapiro y colaboradores proponen. De hecho, con el criterio de Shapiro sólo algunas de las galaxias en fase de fusión o post-fusión se clasifican como tales, a la vez que se sobrestima la fracción de discos, y por lo tanto disminuye el cociente entre el número de sistemas `merger' y disco. Además, encontramos una relación lineal entre el Ktot y la luminosidad infrarroja LIR con los objetos mas luminosos (ULIRGs) caracterizados por una asimmetría cinemática global más alta. También derivamos una relación lineal inversa entre el Ktot y el cociente intrínseco dinámico v'/sigma: galaxias clasificadas morfológicamente como discos muestran un cociente dinámico más alto y asimetría cinemática global Ktot más baja. Lo contrario sucede con los `mergers'. Una tendencia interesante se encuentra también entre la asim- metría cinemática global Ktot y la separación nuclear proyectada a lo largo del proceso de fusión. Inicialmente, cuanto menor es la separación nuclear, mayor es su Ktot, que alcanza su valor máximo durante la fase de fusión (separaciones nucleares ~ 2-5 kpc) para después disminuir durante la fase de post-fusión, aunque con una dispersión relativamente grande. Finalmente, se incluyen también unos trabajos preliminares que serán desarrollados en detalle en un futuro próximo. Primero, el análisis de la distribución espectral de energía (SED) para inferir los valores de las masas estelares en nuestros sistemas. Su comparación con las estimaciones de las masas dinámicas permite determinar la fracción de gas en nuestras galaxias. Además de esto, se comparan nuestros resultados cinemáticos con los que se han derivado para galaxias con alta formación estelar a alto z en trabajos precedentes basados en el análisis de espectroscopía de campo integral. Esto es útil para estudiar las similitudes (o discrepancias) en la cinemática así como en la dinámica entre las (U)LIRGs locales y las SFGs en el universo lejano.