A comprehensive photometric study of the Milky Way's outer halo satellites

Abstract

One of the main questions of Galactic astronomy is to understand the natural processes responsible for the formation and evolution of the Milky Way (MW). Most of the information needed to study the early stages of Galactic formation is contained in the halo and its substructures, because they are dominated by old stellar populations. In this thesis, I carry out a comprehensive photometric study of the substructures of the MW’s outer halo. They are grouped in Globular Clusters (GCs), dwarf-spheroidal (dSph) and ultra-faint dwarf (UFD) galaxies. To carry out this study, I use a dataset that is at the same time deep, wide-field and highly homogeneous, unlike any other in the current literature. In the first part of this thesis, I present evidence of a correlation in the Sérsic index versus the effective radius plane followed by a large fraction of outer halo GCs and satellite dwarf galaxies. I show that this correlation can be entirely reproduced by fitting empirical linear relations in the central surface brightness versus absolute magnitude and Sérsic index versus absolute magnitude parameter spaces, and by assuming the existence of two types of outer halo GCs: one of high surface brightness (HSB group), with properties similar to inner halo clusters; and another of low surface brightness (LSB group), which share characteristics with dwarf spheroidal and UFD galaxies. Given the similarities of LSB clusters with dwarf spheroidal and UFD galaxies, I discuss the possibility that outer halo clusters also originated inside dark matter halos and that tidal forces from different host galaxy potentials are responsible for the different properties between HSB and LSB clusters. In the second part, I perform a morphological study of the satellites in the sample, aiming at homogeneously determining which satellites are suffering from tidal disruption from the MW. To do this, I use a matched-filter technique to calculate the stellar density at each radius from the center of the satellite. With this, I determine the isodensity contours to characterize its morphology. I show that most of the UFDs have irregularities in their shapes consistent with some degree of tidal disturbance, with few of them having strong signs of tidal disruption, whereas GCs and dSphs show mostly a regular morphology. I also show that an observed correlation between the total mass-to- light ratio and the gratio (defined as the ratio between the tidal acceleration of the MW over the satellite and the internal stellar gravity of the satellite) can be explained if one assumes that the MW tidal influence removes stellar mass from the satellite while leaving the central velocity dispersion mostly unchanged. The results of this thesis support the notion that the photometric and structural properties observed on the MW’s outer halo satellites are shaped both by intrinsic processes of the satellite and the influence of the MW’s gravitational potential over it.

Una de las interrogantes más importantes en la astronomía Galáctica es entender los procesos responsables de la formación y evolución de la Vía Láctea. La mayor parte de la información para estudiar las etapas tempranas de formación Galáctica está contenida en el halo y sus subestructuras, dominadas por poblaciones estelares antiguas. En esta tesis, realizo un estudio fotométrico completo de los satélites del halo externo de la Vía Láctea. Ellos se agrupan en cúmulos globulares, galaxias enanas esferoidales y galaxias enanas ultra-débiles. Para esto, usé un set de datos que al mismo tiempo es profundo, de campo amplio y altamente homogéneo, a diferencia de los existentes en la literatura. En la primera parte de esta tesis, presento evidencia de una correlación entre el índice de Sérsic y el radio efectivo, seguida por una gran fracción de los satélites. Muestro que esta correlación puede ser enteramente reproducida al ajustar relaciones lineales al plano del brillo superficial central versus magnitud absoluta y al plano del índice de Sérsic versus magnitud absoluta, asumiendo la existencia de dos tipos de cúmulos globulares en el halo externo: un grupo caracterizado por presentar alto brillo superficial, con propiedades similares a los cúmulos del halo interno, y otro grupo caracterizado por bajo brillo superficial y que comparte características con las galaxias enanas esferoidales y ultra-débiles. Dadas estas similitudes, discuto la posibilidad de que los cúmulos globulares del halo externo se hayan formado dentro de halos de materia oscura y que las fuerzas de marea de galaxias madres diferentes sean las responsables de las diferencias en las propiedades observadas para ambos grupos de cúmulos. En la segunda parte, llevo a cabo un estudio morfológico de los satélites, con el objetivo de determinar homogéneamente cuáles satélites están sufriendo desmembramiento de marea debido al potencial gravitatorio de la Vía Láctea. Para esto, uso la técnica matched-filter para calcular la densidad estelar en función de la distancia radial desde el centro del satélite. Muestro que la mayoría de las galaxias ultra-débiles presentan irregularidades en su mor- fología, consistente con algún grado de perturbación por fuerzas de marea, mientras que un pequeño número de ellas muestran fuertes signos de esta perturbación. Los cúmulos globu- lares y las galaxias enanas esferoidales muestran mayoritariamente una morfología regular. También muestro que una correlación observada entre la razón masa-luminosidad total y el gratio (definido como la razón entre la aceleración de marea provocada por la Vía Láctea en el satélite y la gravedad estelar interna del satélite) puede ser explicada si se asume que la influencia de marea de la Vía Láctea remueve masa estelar de las partes externas del satélite, mientras la dispersión de velocidad central no se ve afectada. Los resultados de esta tesis apoyan la idea de que las propiedades observadas en los satétiles del halo externo de la Vía Láctea son moldeadas simultáneamente por procesos físicos internos de éstos y por la influencia del potencial gravitacional de la Vía Láctea sobre ellos.