Extragalactic stellar clusters in high density environments

Abstract

Stellar clusters are ubiquitous in all luminous galaxies and have the potential to be used as tracers of galaxy formation and evolution if we understand their formation and assembly into their host systems. They have been studied in the astrophysical literature almost since the start of extragalactic astronomy, and the imminent dawn of the next generation of telescopes will enable unprecedented amounts of extragalactic stellar cluster data. However, there are still glaring open issues in our understanding of these objects. We have yet to be able to properly predict, for instance, the colours of extragalactic globular clusters (GCs) in high-density environments and whether or not there is an influence of the environment in the formation of nuclear star clusters (NSCs). In this work we tackle these two questions. We start by investigating the fraction of galaxies hosting NSCs in the Coma Cluster. NSCs are central stellar clusters, a few pc larger than GCs, present in galaxies of a wide variety of size and masses. Using deep HST data and a Bayesian hierarchical logistic regression technique, we find that the nucleation fraction for galaxies in the Coma cluster is higher than in the Virgo and Fornax clusters for a fixed galaxy luminosity/mass. We discuss the possible environmental influences in the formation and evolution of NSCs, their host galaxies, and associated GCs. Afterwards we investigate the known discrepancies between the current generation of stellar population models and the observed colours of extragalactic GCs. To this end, we test four state-of-the-art simple stellar population (SSP) models against the observed colours of GCs around M87 in the Virgo cluster and NGC 3311/NGC 3309 in the Hydra cluster. We test whether the discrepancies between models and data increase as a function of environmental density by looking at the very inner regions of these two GC systems with photometric data ranging from the near-ultraviolet (NUV) to the near-infra We test whether the discrepancies between models and data increase as a function of environmental density by looking at the very inner regions of these two GC systems with photometric data ranging from the near-ultraviolet (NUV) to the near-infrared (NIR). Besides using data from the literature, we present new Ks band imaging in the NIR from the HAWK-I instrument on ESO/VLT for the centre of the Hydra and Virgo clusters. We investigate whether or not cur- rently available SSP models with increased [α/Fe] ratios are able to better predict extragalactic GC colours, as it has been suggested in the literature. We find that current SSP models with α-enhancement still struggle to match the observed colours of extragalactic GCs. The difference between models with standard Milky-Way chemical abundances and with a constant [α/Fe]=0.4 is not large enough to produce significant differences in colour-colour diagrams. Nevertheless, we find that the increase in discrepancies between SSP model predictions and observed optical colours is present for both Virgo and Hydra cluster GCs, but are not present in important colour-colour diagrams involving a combination of NUV/optical and NIR filters, such as uiKs. We discuss how these results can be used to constrain the next steps in improving SSP models ahead of the next generation of NIR photometry. In summary, this work aims to investigate important questions in this current age and in the context of the study of extragalactic stellar cluster systems: i) How can we make the most of the current photometric data using robust statistical techniques, in the context of the open questions of NSC formation, and ii) the importance to improve currently available SSP models to predict colours of extragalactic GCs and the impact of abundance variations in the this matter.

Aglomerados estelares estão virtualmente presentes em todas as galáxias luminosas e têm o potencial de serem usados como traçadores da formação e evolução de galáxias se en tendermos sua formação e assimilação aos seus sistemas hospedeiros. Eles tem sido estudados na literatura astrofísica praticamente desde o início da astronomia extragalática, e o iminente amanhecer de uma nova geração de telescópios gerará quantidades sem precedentes de dados para aglomerados estelares extragaláticos. No entanto, ainda existem grandes problemas aber tos no nosso entendimento destes objetos. Ainda temos, por exemplo, que conseguir predizer corretamente as cores de aglomerados globulares (GCs) extragaláticos em ambientes de alta densidade e se há ou não uma influência do ambiente na formação de aglomerados estelares nucleares (NSCs). Neste trabalho tratamos destas duas questões. Começamos investigando a fração de galáxias que possuem NSCs no aglomerado de Coma. NSCs são aglomerados estelares centrais, alguns pc maiores que GCs, presentes em galáxias dos mais variados tamanhos e massas. Usando dados profundos do HST e uma técnica de regressão logística hierárquica Bayesiana, nós encontramos que a fração de nucleação para galáxias no aglomerado de Coma é mais alta que nos aglomerados de Virgo e Fornax para uma massa/luminosidade de galáxias fixa. Nós discutimos as possíveis influências ambientais na formação e evolução de NSCs, suas galáxias hospedeiras e os GCs associados. Posteriormente investigamos as discrepâncias conhecidas entre a atual geração de modelos de populações estelares e as cores observadas de GCs extragaláticos. Para este fim, nós testamos quatro modelos de populações estelares simples (SSPs) no estado-da-arte contra as cores observadas de GCs em torno de M87 no aglomerado de Virgem e NGC 3311/3309 no aglomerado de Hydra. Nós testamos se as discrepâncias entre modelos e dados cresce em função da densidade ambiental olhando nas regiões mais internas deste dois sistemas de GCs com dados fotométricos indo desde o ultra-violeta próximo (NUV) ao infravermelho próximo (NIR). Além de utilizar dados da literatura, apresentamos dados inéditos na banda Ks no NIR do instrumento HAWK-I do VLT do ESO para o centro dos aglomerados de Hydra e Virgo. Investigamos se modelos atuais com razões de [α/Fe] elevados são capazes de prever melhor as cores de GCs, tal como é previsto pela literatura. Encontramos que os modelos SSP atuais com [α/Fe] elevados ainda têm dificuldades em prever as cores observadas de GCs extragaláticos. A diferença entre modelos com abundâncias químicas no padrão da Via-Láctea e com uma razão constante [α/Fe]=0.4 não é grande o suficiente para produzir diferenças significativas em diagramas cor-cor para os GCs observados. No entanto, nós encontramos que o acréscimo nas discrepâncias entre modelos SSP e as cores óticas observadas está presente tanto para GCs em Virgo quanto em Hydra, mas não estão presentes em importantes diagramas cor-cor envolvendo combinações de filtros NUV/óticos e NIR, como uiKs. Nós discutimos como estes resultados podem ser usados para restringir os próximos passos em melhorar os modelos SSP à frente da nova geração de fotometria NIR. Em suma, este trabalho tem por objetivo investigar importantes questões nesta era e no contexto do estudo de aglomerados estelares extragaláticos: i) Como podemos fazer o máximo uso dos dados fotométricos atuais usando métodos estatísticos e robustos, no contexto dos problemas em aberto na formação de NSCs, e ii) a importância de melhorar os modelos de SSPs atualmente disponíveis em predizer as cores de GCs extragaláticos, bem como o impacto de variações de abundâncias neste tema.