Galaxies with multiple bars : constraints on their formation scenarios

Abstract

Much of current astrophysical research is aimed at addressing one key issue: how galaxies form and evolve. We still do not fully understand the evolutionary processes driving the lifetimes of the zoo of galaxies which populate the Universe. Galaxies may be isolated, or in groups or clusters; they may appear as pure ellipsoids or discs or include a variety of structures; they may be forming stars violently or passing quietly through their lives; and the many other properties that we are progressively discovering. Each piece we add to the puzzle pile complicates the picture a bit more. This thesis is aimed at fixing one of these pieces, a specific one related to the very interesting, but so far not well characterised, double-barred galaxies. Barred galaxies are rather common structures in the Universe and, more importantly, they are key elements for secular evolution theories. In fact, bars can transport gas to the central regions of galaxies and trigger the formation of bulges and other new structures. Double bars go a step farther: they allow the material to reach the very central regions where the gas driven inwards by a single bar cannot get to. Therefore, nested bar systems are considered a very efficient way to bring about the internal secular evolution of galaxies and even to feed active galactic nuclei. This hypothesis has, however, some detractors, as it is very promising from a theoretical point of view but there is not much observational evidence that it is valid. In this thesis we have carefully observed and studied a sample of five doublebarred galaxies using the state-of-the-art techniques for the analysis of their kinematics and stellar populations. This has led to original work not previously performed, so each result is relevant and provides clues to the nature of these objects. We are pleased to present the discovery of the σ-hollows, the only known kinematical signature of the presence of stellar inner bars. Moreover, we disentangle the complex structural composition of the galaxies of our sample, dealing with different formation scenarios and rejecting those which do not account for the observational properties derived here. We find out that one out of the five galaxies is probably hosting a disc-like bulge, whereas the other four present a classical bulge in their centres. Finally, we ascertain that inner bars tend to be younger and more metal-rich than the outer structures. Nevertheless, the characteristic stellar populations for the bulge and the inner bar are indistinguishable and there is no evidence of star-forming structures in the central regions of these galaxies, so we have to conclude that these five inner bars are not playing a major role in the secular evolution of their host galaxies

Gran parte de la investigación astrofísica actual gira en torno a una única e importante cuestión: cómo se forman y evolucionan las galaxias. Todavía hoy no comprendemos los procesos evolutivos que dirigen la vida de ese zoo de objetos que puebla el Universo. Las galaxias pueden estar aisladas o viviendo en grupos o cúmulos; pueden aparentar ser simple elipsoides o discos o estar constituidas por variedad de estructuras; pueden formar estrellas violentamente o dejar pasar tranquilamente sus vidas; y un largo etcétera de propiedades que vamos descubriendo poco a poco. Cada pieza que añadimos al puzle complica la imagen final un poco más. Esta tesis pretende colocar por fin una de esas piezas, aquella relacionada con el fascinante, aunque todavía poco estudiado, caso de las galaxias con dos barras. Las galaxias con barra son estructuras comunes en el Universo y elementos clave en las teorías de evolución secular, puesto que las barras son capaces de transportar gas a las regiones centrales y, por lo tanto, promover la formación de bulbos y otras estructuras. Las dobles barras van un paso más allá al permitir que el material alcance las partes más internas de las galaxias, donde el gas transportado por una barra simple no puede llegar. Es por tanto lógico que estos sistemas dobles sean considerados fundamentales y muy eficientes para la evolución secular interna de las galaxias, e incluso se les relaciona a menudo con los núcleos activos galácticos. Esta hipótesis encuentra, sin embargo, varios detractores, pues aunque es muy prometedora desde un punto de vista puramente teórico, no hay evidencias observacionales que la sustenten. En la presente tesis hemos observado y estudiado en detalle una muestra de cinco galaxias con dos barras y hemos hecho uso de las técnicas de análisis más novedosas con el objetivo de caracterizar su cinemática y poblaciones estelares. Se trata de un trabajo completamente original jamás antes realizado, por lo que cada resultado es relevante y proporciona nuevas pistas sobre la naturaleza de estos objetos. Así pues, presentamos el descubrimiento de los llamados σ-hollows, las únicas señales cinemáticas conocidas de la presencia de barras internas. Desentrañamos también la compleja composición estructural de las galaxias de nuestra muestra, considerando los diferentes escenarios de formación posibles y rechazando aquellos que no explican las propiedades observacionales encontradas. Obtenemos así que una de las cinco galaxias en estudio probablemente contiene un bulbo tipo disco, mientras que el resto de la muestra está compuesta por bulbos clásicos. Finalmente, averiguamos que las barras internas tienden a ser más jóvenes y metálicas que las estructuras externas; sin embargo, las poblaciones estelares características para el bulbo y la barra interna son indistinguibles y no hay evidencias de formación estelar relevante en las regiones centrales, por lo que concluimos que al menos estas cinco barras internas no están desempeñando un papel importante en la evolución secular de sus galaxias anfitrionas.