Relic galaxies and their globular clusters in cosmological simulations

Abstract

Relic galaxies are rare, massive, compact systems that have remained largely unaltered since their formation at high redshift (z ≳ 2), offering critical insights into early-type galaxy evolution in the absence of significant late-time mergers. This thesis investigates the formation and survival of relic galaxies by combining cosmological simulations and observational data, focusing on their structural, dynamical, chemical, and environmental properties, as well as their associated globular cluster (GC) systems. In first part of this thesis (Paper I, MNRAS, published), we use the TNG50 cosmological simulation to explore the assembly histories of relic and compact early-type galaxies (cETGs), examining kinematics and environmental correlations across cosmic time. We find that relic progenitors have resided in highdensity environments since z = 2, and that stellar kinematics can differentiate relics from cETGs in the present day, since relics preserve dynamical imprints, especially in their inner stellar kinematics. Building on this, Paper II (A&A, under review) compares compact ETGs from TNG50 at multiple redshifts (z = 0, 0.3, and 0.7) to observational data from MaNGA, INSPIRE, and VIPERS. We investigate how compactness relates to dynamics and chemical enrichment, and assess whether simulated CMGs reproduce the properties of observed relics. While simulations recover the mass–size relation and yield consistent velocity dispersions across accretion histories, they underpredict the enhanced metallicities and extreme cases in the stellar velocity dispersion found in observational relics. These results highlight the strengths and limitations of current simulations, helping to define under which conditions theoretical models can be reliably compared to empirical relic candidates. The final component of the thesis (Paper III, in prep.) examines the co-evolution of compact massive ETGs and their globular cluster systems using a numerical model of formation and evolution of GCs applied to the TNG100 simulation. We analyze the spatial and chemical properties of GCs and how they reflect the assembly histories of their hosts. We find diverse metallicity distributions across the GC systems, independent of the host accretion history. In systems with low accretion and stripping, dominant GC populations can be either metal-rich ([Fe/H]> −1) or metal-poor ([Fe/H]< −1), suggesting that even relics may host chemically diverse globular cluster populations. Another finding is that ex-situ GCs tend to occupy larger galactocentric radii, but tidal stripping can redistribute them inward, overlapping with the in-situ population. This spatial mixing appears to be a consequence of dynamical processes rather than being intrinsic to compactness. As these outcomes are still a work in progress, we are actively testing potential biases introduced by the GC formation model. Overall, these findings enhance our understanding of the evolutionary pathways of compact massive systems, including relic galaxies within this class. They also underline the importance of combining multiple observables as dynamics, stellar populations, and GCs, to disentangle the histories of such systems.

Galáxias relíquias são sistemas raros, massivos e compactos que permaneceram praticamente inalterados desde sua formação em alto redshift (z ≳ 2), oferecendo pistas sobre a evolução de galáxias early-types na ausência de fusões significativas em épocas recentes. Esta tese investiga a formação e sobrevivência dessas galáxias combinando simulações cosmológicas e dados observacionais, com foco em suas propriedades estruturais, dinâmicas, químicas e ambientais, bem como em seus sistemas associados de aglomerados globulares. Na primeira parte da tese (artigo I), utilizamos a simulação cosmológica TNG50 para explorar a história de evolução de galáxias relíquias compactas early-types, analisando sua cinemática e correlações ambientais ao longo do tempo. Um dos resultados obtidos foi que os progenitores das relíquias habitaram ambientes de alta densidade desde z = 2 e que a cinemática estelar atual pode distinguí-las das demais compactas, já que as relíquias preservam assinaturas dinâmicas primordiais, especialmente em suas regiões internas. Em um segundo trabalho (artigo II), comparamos as galáxias compactas simuladas na simulação Illustris TNG50 em diferentes redshifts (z = 0, 0.3, e 0.7) com dados observacionais dos catálogos MaNGA, INSPIRE e VIPERS. Investigamos como a compacidade se relaciona com dinâmica e a química dessas galáxias, e avaliamos se as galáxias massivas e compactas simuladas reproduzem as propriedades das relíquias observadas. Embora as simulações recuperem a relação massa-tamanho e apresentem dispersões de velocidade consistentes com diferentes históricos de acreção, elas subestimam as metalicidades elevadas e os casos extremos de dispersão de velocidade estelar encontrados em relíquias reais. Esses resultados destacam as limitações e os avanços dos modelos atuais, ajudando a definir em quais condições eles podem ser comparados a candidatos observacionais. Por fim, no artigo III, estudamos a coevolução de galáxias relíquias e seus sistemas de aglomerados globulares usando um modelo numérico de formação e evolução de aglomerados aplicado à simulação Illustris TNG100. Analisamos as propriedades espaciais e químicas dos GCs e como elas refletem o histórico de suas hospedeiras. Encontramos differentes metalicidades para os aglomerados, independentemente do histórico de acreção da galáxia hospedeira. Em sistemas com baixa acreção e stripping, as populações dominantes de GCs podem ser tanto ricas quanto pobres em metais, sugerindo que mesmo casos extremos de relíquias (com baixíssima acreção e stripping) podem abrigar uma diversidade química ao longo da sua população de aglomerados globulares. Outro resultado obtido é que GCs ex-situ tendem a ocupar raios galactocêntricos maiores, mas os efeitos de stripping pode redistribuí-los para regiões internas, sobrepondo-se à população in-situ. Essa combinação espacial parece ser consequência de processos dinâmicos, e não uma característica intrínseca de sistemas compactos. Entretanto, como esses resultados ainda estão em andamento, estamos testando possíveis vieses do modelo de formação de aglomerados adotado. Em síntese, este trabalho aprimora nossa compreensão dos caminhos evolutivos de sistemas massivos compactos, incluindo galáxias relíquias entre eles, e reforça a importância de combinar múltiplos observáveis, como dinâmica, populações estelares e aglomerados globulares, para tentar desvendar pouco a pouco a história desses objetos.