As abundâncias químicas de galáxias compactas massivas no universo local

Abstract

A observação de galáxias quiescentes de alto redshift constitui uma excelente oportunidade para estudar as propriedades de sistemas em épocas próximas à cessação da formação estelar. Esses sistemas podem oferecer importantes pistas sobre os mecanismos responsáveis pelo quenching nos primeiros bilhões de anos do Universo. Diversos estudos mostram que eles apresentam propriedades estruturais e populações estelares distintas das encontradas em sistemas quiescentes típicos do Universo Local. Entretanto, a caracterização de suas abundâncias químicas ainda é limitada pelas dificuldades observacionais, associadas a seus contínuos estelares fracos e tamanhos pequenos. Nesse contexto, o estudo de galáxias compactas massivas (MCGs) do Universo Local constitui uma alternativa interessante para essa investigação: são sistemas quiescentes com massas estelares no intervalo 10.0 ≲ log(M⋆/M⊙) ≲ 10.8 e raios efetivos médios de ∼ 1.5 kpc, que parecem ter interrompido sua formação estelar em épocas precoces (z > 2) e passado por uma evolução posterior relativamente pouco perturbada. Essas características tornam as MCGs candidatas a análogas locais de parte da população quiescente compacta de alto-z. Neste trabalho, caracterizamos as propriedades químicas de MCGs presentes no décimo quarto data release do Sloan Digital Sky Survey e as comparamos com uma amostra de controle (CSGs), composta por galáxias quiescentes não compactas. Selecionamos as amostras a partir de relações entre massa estelar, dispersão de velocidades efetiva (σe) e raio efetivo, com as MCGs e CSGs pareadas em redshift e σe. Os espectros foram empilhados em bins de dispersão de velocidades entre 165 e 400 km s−1 e analisados através de índices espectrais e de full-spectrum fitting com o código ALF. As MCGs e CSGs apresentam abundâncias absolutas semelhantes para os elementos analisados. Espécies como o C, N, Mg, Si, Ca, Ti e V possuem concentrações super-solares em ambas as amostras. No entanto, as MCGs apresentam menores valores de [Fe/H], o que resulta em um maior enriquecimento relativo em elementos-α. Nesse sentido, as razões [α/Fe] das galáxias compactas variam entre aproximadamente 0.39 e 0.44 dex, enquanto o grupo de controle apresenta valores entre 0.28 e 0.40 dex. As MCGs também contêm populações estelares sistematicamente mais velhas que as CSGs e abundâncias relativas ao ferro maiores para diversos elementos – incluindo C, N, Mg, Si, Ca, Ti e Co. Essas diferenças são, em geral, mais pronunciadas no regime de σe < 225 km s−1 . Realizamos também uma comparação, motivada por resultados anteriores, com uma amostra de seis galáxias relíquia próximas, detectadas no SDSS. Essa investigação mostrou que esses sistemas apresentam idades elevadas e enriquecimentos-α semelhantes aos de um subconjunto de MCGs analisadas. Além disso, as abundâncias relativas das relics parecem seguir tendências com σe coerentes com aquelas observadas para as MCGs, sugerindo uma possível conexão entre as duas populações. Em conjunto com as análises estruturais das MCGs, realizadas em trabalhos anteriores, as idades elevadas, o maior enriquecimento relativo em elementos-α e as metalicidades totais – comparáveis às das CSGs – são consistentes com cenários de formação dissipativa, associados a uma fase de formação estelar precoce e intensa, seguida pela quiescência e por uma evolução posterior relativamente pouco perturbada. A semelhança entre as propriedades químicas das MCGs e as de galáxias relíquia se soma ao conjunto de evidências que sugerem que parte das características físicas das MCGs pode ter sido preservada ao longo de suas histórias evolutivas.

The observation of quiescent galaxies at high redshift provides an excellent opportunity to study the properties of systems at epochs close to the cessation of star formation. These systems can offer important insights into the mechanisms responsible for quenching during the first few billion years of the Universe. Several studies have shown that they exhibit structural properties and stellar populations distinct from those found in typical quiescent systems in the Local Universe. However, characterizing their chemical abundances remains challenging due to observational limitations associated with their faint stellar continua and small sizes. In this context, the study of massive compact galaxies (MCGs) in the Local Universe provides an interesting alternative for this investigation: these are quiescent systems with stellar masses in the range 10.0 ≲ log(M⋆/M⊙) ≲ 10.8 and mean effective radii of ∼ 1.5 kpc, which appear to have ceased their star formation at early epochs (z > 2) and undergone a relatively undisturbed subsequent evolution. These characteristics make MCGs potential local analogues of part of the high-z compact quiescent population. In this work, we characterize the chemical properties of MCGs identified in the fourteenth data release of the Sloan Digital Sky Survey and compare them with those of a control sample (CSGs) composed of non-compact quiescent galaxies. The samples were selected based on relations between stellar mass, effective velocity dispersion (σe), and effective radius, with the MCGs and CSGs matched in redshift and σe. The spectra were stacked into velocity-dispersion bins spanning 165–400 km s−1 and analyzed using spectral indices and full-spectrum fitting with the code ALF. The MCGs and CSGs exhibit similar absolute abundances for the elements analyzed. Elements such as C, N, Mg, Si, Ca, Ti, and V are supersolar in both samples. However, the MCGs have lower [Fe/H] values, resulting in a higher relative enrichment in α-elements. In this regard, the [α/Fe] ratios of the compact galaxies range from approximately 0.39 to 0.44 dex, whereas the control sample exhibits values between 0.28 and 0.40 dex. The MCGs also contain systematically older stellar populations than the CSGs and higher abundances relative to iron for several elements, including C, N, Mg, Si, Ca, Ti, and Co. These differences are generally more pronounced in the regime of σe < 225 km s−1 . We also performed a comparison, motivated by previous results, with a sample of six nearby relic galaxies identified in the SDSS. This investigation showed that these systems exhibit old ages and α-enhancements similar to those of a subset of the MCGs analyzed here. In addition, the relative abundances of the relic galaxies appear to follow trends with σe consistent with those observed for the MCGs, suggesting a possible connection between the two populations. Taken together with the structural analyses of MCGs reported in previous studies, their old ages, higher relative enrichment in α-elements, and total metallicities comparable to those of the CSGs are consistent with dissipative formation scenarios involving an early and intense phase of star formation, followed by quiescence and a relatively undisturbed subsequent evolution. The similarity between the chemical properties of MCGs and those of relic galaxies adds to the body of evidence suggesting that some of the physical characteristics of MCGs may have been preserved throughout their evolutionary histories.