Understanding the outskirts of disc galaxies

Abstract

Las regiones externas de las galaxias contienen múltiples pistas sobre los procesos de formación que dieron lugar a los distintos tipos morfológicos observados en la actualidad y su evolución. Sin embargo, el análisis del Universo a bajo brillo superficial esta limitado por la profundidad de las imágenes actuales y la presencia de diversos tipos de efectos sistemáticos; efectos de proyección, contaminación por función de dispersión de punto (PSF), sobre-substracción de nivel de cielo, entre otros. En esta tesis doctoral nos centramos en el estudio de las propiedades de las partes externas de las galaxias de disco, combinando simulaciones, modelos y observaciones con nuevos métodos y herramientas estadísticas para evitar efectos sistemáticos.

En la primera parte de esta tesis (Borlaff et al. 2016) nos centramos en el efecto del incremento de la escala vertical de disco como función del radio galáctico sobre los perfiles de brillo superficial de galaxias de canto. Este fenómeno (llamado flaring) ha sido detectado en el disco estelar de simulaciones de galaxias y en galaxias reales, incluyendo la propia Vía Láctea. Mediante el uso de modelos de galaxias 3D realistas basados en observaciones, demostramos que los flares pueden producir truncamientos en los perfiles de brillo superficial de galaxias con muy alta inclinación. Por otro lado, los flares no producen ningún efecto en galaxias a baja inclinación, lo cual explica parcialmente la relativa alta frecuencia de detección de truncamientos en galaxias de canto. Además, nuestros modelos reproducen la distribución del cociente entre la escala de disco interna y externa al truncamiento (Martín-Navarro et al. 2012), previamente asociada a una caída brusca en la tasa de formación estelar. Finalmente, observamos que los flares explican la caída en la intensidad de los truncamientos a mayores distancias del plano galáctico observada por Pohlen et al. (2007) y Martinez-Lombilla et al. (2018).

En Borlaff et al. (2017, 2018) analizamos las propiedades de los discos antitruncados de galaxias lenticulares a distancias cosmológicas. El objetivo es comprobar si las relaciones de escala en estructura y fotometría descubiertas previamente en Borlaff et al. (2014) en galaxias lenticulares con perfil Tipo III a z = 0 son compatibles con una muestra de objetos del mismo tipo fuera del Universo local. En Borlaff et al. (2017) identificamos una muestra de galaxias de la secuencia roja en el campo cosmológico GOODS-N, clasificándolas morfológicamente por su forma aparente, perfil de brillo superficial y la tasa de formación estelar (SFR). Después, descomponemos y corregimos las imágenes de efectos de PSF. Generamos perfiles de brillo superficial y los clasificamos en los distintos subtipos mediante el uso de herramientas estadísticamente robustas desarrolladas por nosotros con este objetivo. Finalmente identificamos 14 galaxias S0 con perfiles Tipo III a 0.2 < z < 0.6.

En el segundo articulo de la serie (Borlaff et al. 2018), analizamos las propiedades estructurales y fotométricas de los discos antitruncados de esta muestra, comparándolas con una muestra de objetos del mismo tipo en el Universo local. Los resultados mues- tran que la estructura general de los discos antitruncados en galaxias lenticulares no ha cambiado significativamente desde 0.4 < z < 0.6, aunque su brillo en la banda R ha disminuido en ∆μ ∼ 1.5 mag arcsec −2 desde z ∼ 0.6. Comparamos los resultados con una red de evolución de modelos de población estelar única (SSP) con el objetivo de obtener una estimación sobre la época de formación de la población estelar dominante en las galaxias S0 Tipo III. Los modelos muestran que, si la historia de formación estelar (SFH) de las S0 Tipo III puede aproximarse como un único brote de población estelar, este brote tuvo que tener lugar a z < 1.2. En cualquier otro caso, la SFH debe ser más extendida en el tiempo o presentar diversos brotes de formación estelar.

El último capítulo de la tesis esta dedicado a las observaciones en infrarrojo cercano (NIR) del Campo Ultra Profundo de Hubble (HUDF). Para continuar el análisis de las partes externas de galaxias de disco hacia rangos mayores de desplazamiento al rojo son necesarias observaciones en el rango espectroscópico del NIR. Sin embargo, el limite de brillo superficial de la mayor parte de las exploraciones desde telescopios en tierra o espaciales esta dominada por efectos sistemáticos, en lugar del cociente de señal a ruido. Los efectos de sobre-sustracción de cielo, contaminación de PSF, persistencia en el NIR y residuos de corrección de campo plano generan desviaciones irreversibles en los mosaicos finales y por lo tanto en los resultados científicos. Mitigar estos efectos requiere un tratamiento cuidadoso y robusto de las exposiciones individuales. Se ha observado que la estructura de bajo brillo superficial de los mosaicos de HUDF obtenidos usando la cámara WFC3/IR del Hubble Space Telescope (ver XDF, Illingworth et al. 2013; HUDF12, Koekemoer et al. 2013) fue significativamente sobre sustraída durante el proceso de reducción de los datos. En Borlaff et al. (submitted) probamos una serie de técnicas para mejorar el proceso de reducción de datos de WFC3/IR en el HUDF. Estos métodos incluyen auto-calibración de campo plano, corrección de persistencia, corrección de gradientes residuales y ajuste del nivel de cielo relativo de las exposiciones, así como combinación robusta de las imágenes. Como resultado de estas mejoras, recuperamos la estructura externa de las galaxias presentes en los mosaicos, aumentando la profundidad de las imágenes debido a la reducción de los efectos sistemáticos. La nueva versión de los mosaicos NIR del HUDF preserva mejor las propiedades de los objetos a todas las escalas angulares y de intensidad, permitiendo de esta manera el estudio del Universo a bajo brillo superficial mediante todas las técnicas actuales y propuestas.