Ivan Lacerna: Galaxias centrales en diferentes ambientes

Iván Lacerna actualmente trabaja como postdoc en el Instituto de Astronomía  de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Realizó su Licenciatura y Doctorado en la Pontificia Universidad Católica de Chile, doctorándose en 2012. Sus intereses incluyen formación y evolución de galaxias y estructura de gran escala. Lo puedes contactar en ilacerna at astro dot unam dot mx

La configuración básica de un sistema de galaxias (por ejemplo, grupos o cúmulos) parte con una galaxia central, que reside cerca del pozo de potencial gravitatorio del sistema, junto con otras galaxias satélites orbitando a su alrededor. Esta configuración cambia con el tiempo, donde típicamente la galaxia central crece a través de fusiones con algunas de sus satélites, y donde el sistema en su conjunto va adquiriendo nuevas satélites a medida que éste se hace más masivo en un modelo jerárquico como el ΛCDM. En este trabajo nos preguntamos si propiedades de las galaxias centrales dependen de la configuración del sistema. Por ejemplo, ¿las masas, colores y la formación estelar de una central con satélites a su alrededor son las mismas que en una central sin satélites?

Usando catálogos extraídos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS), hemos identificado galaxias centrales en sistemas con y sin satélites (hasta un límite dado en magnitud), lo cual es un indicador del ambiente local, además de aquellas centrales sin satélites que están extremadamente aisladas. Uno de estos catálogos es el de grupos de Yang et al. (2007) que consiste en un método iterativo para asignar la membresía de galaxias a un potencial grupo (o halo de materia oscura) usando el promedio de la razón masa-luminosidad, lo que permite estimar el tamaño del sistema (radio virial) y, por lo tanto, las galaxias que realmente estarían contenidas en él. Lo particular de este método es que no sólo permite seleccionar sistemas con muchos miembros como cúmulos de galaxias, también sistemas donde sólo una galaxia es la que reside en el halo (una galaxia central sin satélites). Cuando un sistema tiene más de una galaxia, seleccionamos como la galaxia central a la más masiva en masa estelar del grupo. La mayoría de los sistemas de este catálogo están compuestos por tan sólo una galaxia. 

Las distribuciones en masa estelar (Ms) de galaxias centrales con satélites y sin satélites son diferentes, lo cual está posiblemente asociado a distintos mecanismos de formación, lo que explica que en general las primeras están localizadas predominantemente en la secuencia roja según su color o en regiones pasivas según su tasa de formación estelar específica (sSFR), como se observa en la Figura 1. Por otra parte, a paridad de masa estelar, sus distribuciones de color y sSFR son similares.

Figura 1: Color (g-i, paneles de arriba) y tasa de formación estelar específica (paneles de abajo) en función de la masa estelar. Toda la muestra de galaxias centrales con corrimientos al rojo entre 0.01 y 0.08 se muestran en contornos en la columna izquierda. Por separado se muestran las centrales que no tienen satélites (columna del medio) y las que tienen satélites a su alrededor (columna derecha). Las líneas rojas en los paneles de arriba y abajo separan la población roja/azul y pasiva/activa, respectivamente.

También estudiamos la dependencia con la masa de halo de materia oscura. En este sentido, en los últimos años la relación masa estelar - masa de halo (Ms-Mh) ha surgido como un indicador importante para restringir modelos y simulaciones de formación y evolución de galaxias, ya que resume la eficiencia de la formación estelar de la galaxia (central) en función de la masa de halo. La relación Ms-Mh de galaxias aisladas, probablemente las galaxias menos afectadas por el ambiente, no dependen del color, sSFR y morfología (Figura 2).

Figura 2: Masa estelar en función de la masa de halo (relación Ms-Mh) de galaxias centrales sin satélites y que a la vez están aisladas. Son separadas según color, tasa de formación estelar específica y morfología (paneles izquierda, medio y derecha, respectivamente). La mediana de la distribución de galaxias rojas, pasivas y de tipo temprano está en círculos rojos, mientras que la mediana de la distribución de galaxias azules, activas y de tipo tardío está en cuadrados azules. Las barras de error son la dispersión de la mediana. Las relaciones Ms-Mh son muy similares dentro de esta dispersión.

A pesar de los diferentes mecanismos de formación de una galaxia central, propiedades como el color y sSFR son similares entre todas las centrales a una masa estelar dada. A su vez, la relación masa estelar - masa de halo es notablemente estrecha para todos los tipos de galaxias centrales y no observamos una dependencia de esta relación con alguna otra propiedad analizada en este trabajo (Figura 2). Nuestros resultados sugieren que el crecimiento en la masa estelar de galaxias centrales es mayormente dominado por la masa de halo, mientras que el ambiente y fusiones tienen un rol secundario.  En este contexto, la eficiencia en el crecimiento en la masa estelar de una galaxia es máxima para masas de halo Mh~10¹² Msun, decrece a masas menores probablemente por "feedback" de supernovas y decrece a masas mayores por "feedback" de AGNs y al mayor tiempo de enfriamento del gas para formar estrellas. Todos estos procesos dependen del potencial gravitario determinado principalmente por la masa de halo, lo cual se espera en un modelo como el LCDM. Sin embargo, todavía falta por entender los procesos internos de una galaxia relacionados con sus propiedades observacionales y cómo estarían conectados con la evolución de los halos de materia oscura.

"Central galaxies in different environments: Do they have similar properties?"

Ivan Lacerna, Aldo Rodriguez-Puebla, Vladimir Avila-Reese & Hector M. Hernandez-Toledo

Aceptado para su publicación en ApJ. ArXiv:1311.6473

Resumen (en inglés, después del salto + comentarios & compartir)

Carlos Contreras Velásquez: Tasa de Formacion de Grandes Estructuras hasta redshift z=0.8 en el Survey de Galaxias WiggleZ

Carlos Contreras Velásquez es actualmente postdoc en Aarhus University, Dinamarca. Previamente obtuvo su grado de Licenciado en Astronomía en la Pontificia Universidad Católica y su Doctorado en Swinburne University en Melbourne, Australia. Sus intereses se centran en Cosmología, Estructuras de Gran Escala y Supernovas. Puedes contactarlo en carlos dot astro at gmail dot com

La evolucion de la distribución de las galaxias en el Universo proporciona información sobre sus condiciones iniciales y los procesos físicos que han moldeado su forma actual. La formación de grandes estructuras (cúmulos y super cumulos) está finamente sintonizada por los efectos de la Gravedad (colapso) y la Energía Oscura (expansión). En este contexto, conocer la tasa de formación de grandes estructuras agrega condiciones adicionales que una teoria gravitatoria debe cumplir, ya que no sólo debe dar cuenta de la expansión acelerada sino también de la formación de estructura en el tiempo. Además la naturaleza de la Energia Oscura esta íntimamente ligada al resultado de este test, ya que un cambio en la teoría gravitatoria llevaría a una re-evaluación de la naturaleza de la energía oscura, incluso de su mera existencia.

El primer paso de un experimento tal es obtener un catálogo de redshifts de galaxias de volumen cosmológico que permita hacer mediciones estadísticas de su distribución espacial a gran escala. Nuestro catálogo, el WiggleZ survey, fue el primero en mapear galaxias azules hasta redshift 1.1 en un volumen cosmológico. Luego trasforma los redshifts en distancias usando el modelo cosmológico a testear.

Fig 1: Izquierda: La correlación de 2 puntos de las galaxias WiggleZ ξ(σ,π) a redshift z=0.6. Derecha: Valores para la tasa de crecimiento como función de redshift; puntos rojos corresponden a resultados de este trabajo, los puntos verdes provienen de un análisis independiente de los mismos datos usando el espectro de potencia de la distribución de galaxias y pentágonos negros indican resultados de otros surveys (click para ampliar).

El segundo paso es medir la función de autocorrelación bidimensional del catálogo ξ(σ,π) en la dirección transversal y paralela (σ,π) a la línea de visión, para secciones de distinto redshift (distintas épocas en la vida del Universo). Si los redshifts fueran puramente cosmológicos, usando un modelo cosmológico aproximadamente correcto, el resultado seria una función ξ(σ,π) con simetría esférica. Pero en la práctica, las velocidades peculiares de las galaxias (provocadas por la presencia de las grandes estructuras), distorsionan la forma de la función ξ(σ,π) del catalogo, imprimiéndole un patrón característico (ver Figura 1, izquierda) que puede ser modelado y del cual se puede obtener la tasa de formación de estructura ademas de otros parámetros.

El tercer paso es ajustar un modelo a ξ(σ,π) conteniendo parámetros consistentes con la cosmología inicial, y la tasa de formación de estructura.

En este artículo medimos ξ(σ,π) en 200.000 galaxias del WiggleZ survey, en 4 secciones de distinto redshift z = [0.2, 0.4, 0.6, 0.76], ajustamos el ‘modelo de Kaiser’ para la distorsión por las velocidades peculiares, y obtenemos valores para la tasa de crecimiento de estructura. Los resultados se muestran en la Figura 1 (derecha), donde aparecen ademas las curvas de valores teóricos predichos por la Cosmología Standard, y mediciones de otros Surveys.

Los resultados del WiggleZ dan cuenta por primera vez de la tasa de formación de estructura para una serie de intervalos desde aproximadamente la mitad de la vida del Universo, y sus resultados son consistentes con la Gravedad descrita por la teoría de la Relatividad General, con la Energía Oscura siendo una constante cosmológica. Ademas WiggleZ usa galaxias azules (con formación estelar) como trazador de la distribución de la materia, lo que implica que sus resultados son independientes de otros surveys, con los cuales se puede combinar para mejorar las mediciones.

"The WiggleZ Dark Energy Survey: measuring the cosmic growth rate with the two-point galaxy correlation function"
C. Contreras V., et al.
MNRAS 430, 924 (2013) - ArXiv:1302.5178

Resumen (en inglés, después del salto - compartir & comentar)

Nicolás Tejos: Estudiando el medio intergaláctico dentro y fuera de vacíos de galaxias

Nicolás Tejos es investigador postdoctoral en la Universidad de California, Santa Cruz trabajando en colaboración con Prof. J. X. Prochaska. Nicolás estudió su Licenciatura y Master en la Universidad de Chile y el 2013 se graduó de doctor en la Universidad de Durham, en Inglaterra. Visita su pagina web www.ucolick.org/~ntejos para contactarlo y conocer sus temas de investigación.

Las galaxias contienen alrededor del 10% de la materia bariónica (i.e. átomos) del Universo. El restante 90% se encuentra en el medio intergaláctico (IGM por sus siglas en inglés), cuyas bajas densidades y alto grado de ionización hacen su observación una tarea difícil. En este paper usamos líneas de absorción de hidrógeno neutro (HI) en espectros de quásares en el UV (a partir de datos de telescopios espaciales como HST y FUSE) para caracterizar el IGM.

Debido a la acción de la gravedad, la distribución de galaxias en el Universo no es homogénea y sigue un patrón intrincado de planos, filamentos y nodos. Esta distribución produce vastas regiones en el Universo conteniendo una fracción muy baja del total de galaxias observadas, llamadas 'galaxy voids' ('vacíos de galaxias'). En este articulo investigamos las propiedades del IGM dentro y fuera de estos vacíos a redshifts z<0.1.

Encontramos un exceso significativo de lineas de HI en los bordes de estos vacíos, a escalas de 5 Mpc/h, consistente con lo que se espera de la distribución de galaxias. Sin embargo, al interior de estos vacíos de galaxias encontramos una distribución casi homogénea de HI. Nuestros resultados muestran que estos vacíos de galaxias no son lugares donde hay ausencia total de materia bariónica, ya que contienen una fracción significativa del total de hidrógeno en el Universo.

Fig. 1: Densidades de columna (a y b) y parámetros Doppler (c y d) observados dentro (círculos negros) y en los bordes de (cuadrados rojos) vacíos de galaxias, usando dos sistemas de coordenadas para asociar una línea a un vacío de galaxia (ver paper; los triángulos azules no se han tomado en cuenta en el estudio). Observamos un déficit de líneas de HI con densidades de columna N_HI< 10¹³ cm^-2 en los bordes de los vacíos comparado con lo que se encuentra dentro de éstos. Esto se traduce en que las distribuciones de densidades de columna dentro y fuera de vacíos de galaxias son tentativamente diferentes (a un 98% de nivel de confianza estadística). Para los parámetros Doppler, esta tendencia es menos significativa (90% de nivel de confianza estadística). Sin embargo, ambas tendencias son teóricamente esperadas.

También encontramos evidencia tentativa de que las propiedades de las lineas de HI dentro y fuera de estos vacíos son diferentes. Líneas al interior de vacíos de galaxias poseen sistemáticamente menores densidades de columna (intensidad de la linea) y parámetros Doppler (ancho de la linea) que las encontradas en los bordes de estos vacíos (ver Figura). Nuestros resultados observacionales apuntan a que del total de líneas de HI con densidades de columna N_HI>10^12.5 cm^-2, un 25-30% se encuentran al interior de vacíos de galaxias, un 55-60% se encuentran en los bordes de estos vacíos y son correlacionadas con galaxias porque siguen la misma distribución de gran escala pero no necesariamente los mismos halos, y solo un 12-15% correlacionadas con galaxias porque pertenecerían a los mismos halos.

Debido a limitaciones computacionales todavía no existe una simulación hidrodinámica lo suficientemente grande para contrastar nuestros resultados observacionales con la teoría de una manera directa. Cabe notar que estos vacíos de galaxias tienen tamaños característicos de 10 Mpc/h. Aun así, presentamos un estudio de HI en diferentes medioambientes cósmicos a partir de datos provenientes de una la simulación hidrodinámica (GIMIC) y corroboramos que al menos estas tendencias son esperadas dentro del paradigma ΛCDM.

"Large-scale structure in absorption: gas within and around galaxy voids"
N. Tejos, et al.

MNRAS 425, 245 (2012) - ArXiv:1205.2697

Resumen (en inglés, después del salto)

Raúl Angulo: Simulaciones computacionales de universos dominados por materia oscura tibia

Raúl Angulo es investigador del Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón, en Teruel, España. Raúl obtuvo su licenciatura en la Universidad Católica de Chile, y su doctorado en la Universidad de Durham, Inglaterra, en 2008. Luego, realizó estancias postdoctorales en el Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania, y en la Universidad de Stanford en EEUU. Puedes contactarlo en rangulo at cefca dot es.

En la cosmología estándar, el principal componente gravitatorio en el Universo es la materia oscura -- una hipotética partícula elemental aún no descubierta y que interacionaría principalmente sólo a través de la gravedad. Tradicionalmente, la materia oscura se ha considerado 'fría' (CDM por sus siglas en inglés), es decir, con una velocidad termal cero en el universo temprano.

Sin embargo, la materia oscura también puede ser 'tibia' (WDM por sus siglas en ingles). Con una velocidad termal no despreciable, el campo de perturbaciones en densidad primordiales es suavizado con WDM. En particular, mientras más caliente la materia oscura, más grande es la escala donde las perturbaciones desaparecen -- lo cual repercute en la formación de galaxias y otras estructuras en el Universo local. Recientemente, WDM ha recibido mucha atención en la comunidad cosmológica, pues podría solucionar varios problemas presentes en CDM relacionados con la cinemática, formación y abundancia de galaxias pequeñas.

Figura 1: Mapa de la densidad cósmica predicha en una simulación donde la materia oscura es considerada "tibia". Colores amarillos indican zonas con alta densidad, mientras que colores blancos indican aquellas zonas con baja densidad.

 Por esto nos gustaría poder entender en detalle la evolución del Universo cuando la materia oscura es tibia y entender las diferencias con respecto a CDM. La mejor forma de hacer esto es a través de simulaciones numéricas. Desafortunadamente, la mayoría de las simulaciones actuales no pueden describir con precisión la evolución de estructuras en WDM, pues los errores numéricos dominan sobre los efectos físicos. Esto es un problema que ha estado sin solución por más de 25 años!

 En este artículo, proponemos una nueva forma de atacar el problema de N-cuerpos, el cual demostramos soluciona los problemas de simulaciones de WDM, y por lo tanto nos permite entender mejor estructuras compuestas de WDM. El resultado se puede ver en la Fig.1, la cual muestra la densidad proyectada de materia oscura en una área de 80x160 Mpc. Aquí se puede ver, por ejemplo, que filamentos no están fragmentados como en las antiguas simulaciones. También se puede ver que no hay pequeños cúmulos tal como se espera en estos modelos.

Figura 2: Número de estructuras colapsadas ("halos") como función de su masa. Lineas de diferentes colores indican el resultado considerando diferentes definiciones de un halo.

Estas nuevas simulaciones nos permitieron, por primera vez, estudiar como la abundancia de 'halos' cambia entre escenarios donde la materia oscura es tibia o fría. El resultado se ve en la segunda figura: mientras que en CDM el número crece exponencialmente cuando miramos a masas más pequeñas, en WDM vemos que el número de halos decae exponencialmente por debajo de 10¹² masas solares. Esto es consecuencia de la velocidad termal mencionada anteriormente, y se espera que impacte en muchas propiedades observables de nuestro universo. Simulaciones como estas nos darán en el futuro más información de como podemos estimar las propiedades de la materia oscura, uno de los pilares en nuestra concepción moderna del Universo.

"The warm dark matter halo mass function below the cut-off scale"
Raúl E. Angulo, O. Hahn & T. Abel, 2013
MNRAS 434, 3337 (2013) - ArXiv:1304.2406

Resumen (en inglés, después del salto)

Felipe Marín: Determinando la evolución de la estructura a gran escala usando la correlación de 3-puntos del WiggleZ survey

Felipe Marín es postdoc en Swinburne University, en Melbourne, Australia. Felipe hizo su Licenciatura en Astronomía en la Universidad de Chile, y en Junio del 2010 obtuvo su Doctorado en la Universidad de Chicago. Lo puedes contactar en fmarin at astro dot swin dot edu dot au

En este artículo estudio la estadística de la distribución espacial de galaxias del WiggleZ Dark Energy Survey. Este muestreo obtiene espectros de  200.000 galaxias a un redshift medio z=0.6 (distancia co-móvil: 2200 Mpc). Usando las líneas de emisión de estas galaxias se obtiene su redshift cosmológico, que es un indicador de distancia y así se crea un mapa tri-dimensional de la estructura a gran escala. 

En mi caso he medido la  ‘correlación de tres puntos’ (3PCF). La 3PCF mide la probabilidad de encontrar tres galaxias formando un triángulo de una escala y forma dada. En la parte izquierda de la figura de abajo muestro, en símbolos azules, la 3PCF de las galaxias de WiggleZ en configuraciones donde el segundo lado del triángulo es el doble del primero, como función del ángulo entre estos dos lados, ϑ (theta).

La 3PCF (reducida) de las galaxias WiggleZ (símbolos azules), en la muestra de galaxias a z=0.55 y de la materia total (incluyendo materia oscura) en una simulación de N-cuerpos (línea negra). En rojo muestro el modelo de 'bias' que conecta la 3PCF de la materia con la de las galaxias WiggleZ. En todos los sub-gráficos muestro la 3PCF para triángulos con dos lados fijos, y en función de theta que da el tercer lado.

Se puede ver que la 3PCF como función de theta tiene forma de U: significa que es posible encontrar más triángulos (correlacionados) en configuraciones  colapsadas o casi elongados, que es una consecuencia de la concentración de galaxias y materia en filamentos, en la ‘cosmic web’.  

La 3PCF sirve para discriminar diferentes modelos de formación de estructura a escalas cosmológicas. Utilizando un modelo que relaciona la densidad de materia total con la densidad de galaxias mido como las estructuras evolucionan con el tiempo. Encuentro que ésta concuerda con las predicciones del modelo Lambda-CDM  estándar de evolución cosmológica.

"The WiggleZ Dark Energy Survey: constraining galaxy bias and cosmic growth with 3-point correlation functions."
Felipe Marín et al., 2013
MNRAS 232, 2654 (2013) - arXiv:1303.6644
Resumen (en ingles, después del salto)