The mysterious population of globular clusters of the ultra-diffuse galaxy MATLAS-2019

Abstract

El presente Trabajo Final de Máster tiene como principal objetivo el estudio, análisis y caracterización del sistema de cúmulos globulares de la galaxia MATLAS-2019, que se encuentra en la línea de visión del grupo NGC 5846. MATLAS-2019 es una galaxia enana de bajo brillo superficial (µpg, 0q ≈ 24.8˘0.1, Forbes et al. 2019), perteneciente a la categoría de Galaxias Ultra Difusas (por sus siglas en inglés, UDGs). Esta categoría de galaxias enanas ha sido acuñada muy recientemente por van Dokkum et al. (2015), caracterizándose por su bajo brillo superficial (µpg, 0q Á 24 mag arcsec´2 ) y su gran radio efectivo (re Á 1.5 kpc). En los últimos años, las Galaxias Ultra Difusas han despertado gran interés en la comunidad científica debido a sus peculiares propiedades y a que nos abren la puerta a estudiar la formación de galaxias a bajas masas. La existencia de estas Galaxias Ultra Difusas desafía nuestros modelos de formación de galaxias, dado que actualmente estos modelos no permiten explicar con certeza su origen y naturaleza. ¿Son galaxias enanas que, por una falta de formación estelar en los últimos tiempos o por algún otro tipo de proceso, han obtenido estas características? ¿O iban a ser galaxias más masivas que fallaron en algún punto de su desarrollo, quedándose como galaxias extendidas pero con muy poco brillo? Para tratar de dar respuesta a estas cuestiones debemos estudiar las propiedades de las UDGs, para ver si se asemejan a las de otras galaxias enanas o si realmente son un tipo de objeto con características diferentes. Una de las principales propiedades que nos ayudarán a discernir el origen de las galaxias ultra difusas es la masa de sus halos de materia oscura. Si son galaxias enanas, sus halos de materia oscura debe ser similares a los halos de otras galaxias de este mismo tipo, pero si son galaxias masivas fallidas deben de habitar halos de materia oscura mucho más masivos que los correspondientes a galaxias enanas. De esta manera, el estudio del número de cúmulos globulares que contiene una galaxia adquiere importancia, al estar relacionado linealmente (al menos para las galaxias "usuales") con la masa total de la galaxia. Esto se conoce como la relación Cúmulos globulares - Halo de materia oscura (comúnmente conocida en inglés como globular cluster-dark matter halo relation). El estudio de los cúmulos globulares de MATLAS-2019 también es de especial relevancia, dado que actualmente existe discrepancia en la cantidad de cúmulos globulares que tiene esta galaxia. Diferentes autores en los últimos años han propuesto diferentes abundancias para este sistema, no quedando claro si la población de cúmulos globulares consta de alrededor de 25 objetos (Müller et al., 2021) o de más del doble (Danieli et al., 2022). Aclarar esta cuestión nos permitirá saber si la galaxia dispone de un sistema de cúmulos globulares abundante pero esperado o, si por el contrario, verdaderamente posee una población atípica. Así pues, en este trabajo se realizará un estudio de la galaxia para estimar la cantidad de cúmulos globulares, tratando así de inclinar la balanza respecto al debate existente. Con el fin de obtener resultados más fiables, se llevará a cabo un estudio más completo de esta galaxia, usando más datos y parámetros de los que han sido utilizados en trabajos anteriores. Dado que la distancia a la galaxia no está bien definida, ya que algunos autores la situan sobre 21 Mpc y otros alrededor de 26 Mpc, se realizará el análisis para ambas distancias. Los datos de los que se dispone son imágenes del telescopio espacial Hubble (HST) en tres filtros diferentes (F475W, F606W y F814W). Los datos de F475W y F606W provienen del instrumento Wide Field Camera 3 (WFC3) con un tiempo de exposición de aproximadamente 2350 segundos, mientras que los datos de F814W son del instrumento Advanced Camera for Surveys (ACS) con una exposición de aproximadamente 1000 segundos. Para llevar a cabo la identificación de cúmulos globulares se realizará, en primer lugar, la construcción de un catálogo que contenga todas las fuentes posibles del campo. Dado que se dispone de datos en tres filtros diferentes, se construirán los cátalogos de cada imagen y posteriormente se combinarán en un catálogo final del campo. Para la construcción de los catálogos y su fotometría correspondiente se empleará el software SExtractor. La selección de los cúmulos globulares candidatos se realizará mediante el filtrado del catálogo obtenido. Este filtrado se llevará a cabo en dos etapas. En primer lugar, se aplicará un filtrado basado en radio efectivo, elipticidad y magnitud. Posteriormente se realizará un segundo filtrado basado en el color. Los estudios realizados hasta ahora han dispuesto de un único color, pero en nuestro caso, dado que se disponen de tres filtros diferentes podemos obtener dos colores. Esto es una gran ventaja a la hora de discernir si una fuente es un cúmulo globular o no, puesto que usando dos colores exploraremos mejor la distribución espectral de energía de las fuentes, pudiendo así eliminar más contaminantes. Los criterios empleados para la selección de cúmulos globulares se obtendrán en base a dos fuentes de información. La primera es un análisis de cúmulos globulares de la literatura que ya han sido identificados y caracterizados tanto en la Vía Láctea (Harris, 2010) como en galaxias enanas cercanas (Georgiev et al., 2009). La segunda se trata del estudio de once cúmulos globulares que han sido confirmados espectroscópicamente en MATLAS-2019 (Müller et al., 2020). Mediante la combinación de estos dos análisis, estudiando cuales son los rangos de valores típicos de radio efectivo, elipticidad, magnitud y color para un cúmulo globular, se establecen los criterios para determinar si una fuente puede ser considerada un cúmulo globular o no. Una vez completado el proceso de filtrado, se obtiene que la población de cúmulos globulares de la galaxia MATLAS-2019 consta de 28˘2. A lo largo del trabajo se lleva a cabo un análisis de estos cúmulos globulares candidatos, estudiando su distribución espacial, su distribución de radios efectivos, su función de luminosidad (GCLF) y su distribución radial. Además, la función de luminosidad de los cúmulos globulares encontrada sitúa a la galaxia a una distancia de aproximadamente 21 Mpc. Si la galaxia siguiera la relación entre el número de GCs y la masa del halo de materia oscura, entonces la masa de su halo sería aproximadamente 1.0 ˆ 1011Md. Resulta interesante destacar que la distribución de los cúmulos globulares en torno a la galaxia es notablemente asimétrica, a pesar de que el cuerpo difuso de la galaxia no presenta esta característica. Un estudio adicional sería necesario para determinar si esta disposición es arbitraria o si hay algún proceso subyacente responsable. Una vez expuestos los resultados obtenidos en este trabajo, estos son discutidos y comparados con los resultados que otros autores obtienen del sistema de cúmulos globulares de la galaxia. Como se mencionó anteriormente, existe cierta discrepancia respecto a cuántos cúmulos globulares tiene la galaxia, y el estudio presentado aquí parece inclinar la balanza hacia que MATLAS-2019 tiene en torno a 28 cúmulos globulares. La principal implicación de los resultados encontrados es que MATLAS-2019 posee un sistema de cúmulos globulares comparable a las poblaciones de otros tipos de galaxias enanas. Esto favorece el escenario en el que las Galaxias Ultra Difusas son galaxias enanas que mediante ciertos procesos (e.g., ausencia de formación estelar reciente, interacciones de marea) obtuvieron las características que manifiestan actualmente, constituyendo la región de bajo brillo superficial y gran radio efectivo de una abundante población de galaxias enanas. Más estudios deben ser realizados para seguir desentrañando el origen de las galaxias ultra difusas, pero al menos MATLAS-2019 parece albergar un sistema de cúmulos globulares acorde con el de una galaxia enana.

This master’s disertation aims to analyze the Globular Cluster (GC) system of MATLAS-2019, an Ultra Diffuse Galaxy (UDG). The importance of this study lies in the controversial number of GCs of this galaxy, as recent scientific publications do not agree on its population size. Therefore, the intention of this work is to clarify the number of GCs of the galaxy. A precise understanding on how many GCs the galaxy has will allow us to better understand the origin and nature of these UDGs. This study will take advantage of multiwavelength observations to obtain the cleanest sample of GC candidates. We will use the spatial resolution of the Hubble Space Telescope to obtain a preliminar catalogue of GC candidates. The main parameters for this initial selection are effective radius, ellipticity and magnitude. Then, a two-colour selection is performed to further discriminate between GCs and contaminants. The selection criteria is based on the properties of bona fide GCs from the literature as well as the spectroscopically confirmed GCs of MATLAS-2019. A total of 28˘2 globular clusters are identified. This result is in agreement with other estimations of the GC population of the galaxy. These results support the scenario in which ultra diffuse galaxies are dwarf galaxies that have undergone some processes that gives them the UDGs characteristics, favoring conventional explanations for their origin rather than more exotic hypotheses