Towards calibrating stellar population models in the near-IR [Elektronische Ressource] : clues from globular clusters and early type galaxies / vorgelegt von Mariya Boyanova Lyubenova

Mariya Lyubenova

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: English
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Extrait

Towards calibrating stellar population
models in the near-IR:
clues from globular clusters and
early-type galaxies
Mariya Lyubenova
Mu¨nchen 2009Towardscalibratingstellarpopulation
modelsinthenear-IR:
cluesfromglobularclustersand
early-typegalaxies
DISSERTATION
anderFakulta¨tfu¨rPhysik
derLudwig-Maximilians-Universita¨t
zurErlangungdesGrades
DoktorderNaturwissenschaften
Dr. rer. nat.
vorgelegtvon
MariyaBoyanovaLyubenova
aus
Sofia,Bulgarien
Mu¨nchen,Januar20091streferee: Prof.Dr.RalfBender
2ndreferee: Priv. Doz.Dr.AchimWeiss
Dayoforalexamination: 21January2009Abstract
This thesis presents a study of the near-IR spectral properties of six globular clusters
(GCs) and 21 early-type galaxies in the local Universe, 10 of which are in low density
environments and 11 are in the Fornax cluster of galaxies. Our observations were ac-
quiredusingintegralfieldunit(IFU)andlong-slitspectrographs. Thecommongoalof
the various projects was to verify the predictions of current stellar population models
in the near-IR using GCs and early-type galaxies data. We provide the first spectral
libraryoftheintegratednear-IRlightofglobularclusterswithages≥1Gyr.
Using VLT/SINFONI we obtained integrated luminosity weighted spectra of six
GCs in the Large Magellanic Cloud (LMC). Three of them are old (≥10 Gyr) and
metalpoor([Z/H]∼–1.4),theotherthreehaveintermediateages(1<age<3Gyr)and
higher metallicity ([Z/H]∼–0.4). We have measured the strength of the near-IR K-
12band features NaI, CaI and CO(2–0) and compared the D index, used to mea-CO
12surethestrengthof CO(2–0),withthepredictionsofthestellarpopulationmodelsof
Maraston (2005). We find reasonable agreement between the data and the model pre-
dictions for old and metal poor GCs. For intermediate age and half solar metallicity
GCs we find a marked disagreement with the models. While the models predict an
increaseoftheindexwithyoungerages,wefindastrong dropofindexstrength at∼1
Gyr. Weconsider thatthis is due to the differentspectral properties of galactic carbon
richAGBstars,usedtoempiricallycalibratethemodels,andtheonespresentinLMC
globular clusters. Thisconclusion isbasedonthedifferent D indexstrength thatweCO
measure for the carbon stars in our LMC sample and the galactic carbon stars for a
given (J− K)colour.
Our study of early-type galaxies in low density environments and in the Fornax
cluster revealsthatthenear-IRNaI and D indicesfollow similarindex-σscalingre-CO
lationsasopticalmetallicityindices. TheNaI indexshowsagoodpositivecorrelation
withthemetallicityatoldagesandadditionallyincreasesforyoungeragesincontrast
to the behaviour of optical metal indices. We derive an empirical calibration for the
NaI index as function of metallicity and suggest that a diagnostic diagram, based on
the optical Hβ index and the near-IR NaI index, will be a good age-metallicity esti-
mator oncemoredetailedSSPmodelsinthenear-IRbecomeavailable. The D indexCO
exhibits similar trends with metallicity, albeit with a shallower slope and more com-
plex behaviour at young ages. We find evidence of saturation of the D index aboveCO
twicesolarmetallicity.
Utilising thesuperb spatialresolution ofadaptiveoptics assisted IFUobservations
in the near-IR weobserved the centre of the Fornax cD galaxy NGC1399. Weconfirm
′′the presence of a central velocity dispersion drop within r ≤ 0. 2 and reveal drops inthe NaI and D indexwith the same extent and location. We suggest that the centreCO
of NGC1399 harbours a cold subsystem with a distinct stellar population, which is
either more metal poor, or younger and more metal poor than the main body of the
′′galaxy. We detect a negative gradient of the NaI index within r ≤ 1. 4. Using our
calibration of NaI vs. metallicity we derive a metallicity gradient, which appears to
be shallower than the typical metallicity gradients measured at larger radii in other
early-typegalaxies.Zusammenfassung
Das Thema dieser Dissertation ist eine spektrale Studie im nahen Infrarotbereich von sechs
Kugelsternhaufen und 21 Galaxien fru¨hen Typs, davon 10 Feldgalaxien und 11 Galaxien des
FornaxGalaxienhaufens. DieBeobachtungenwurdenmiteinemFla¨chen-Spektrographenund
einem Spaltspektrographen ausgefu¨hrt. Das Ziel der verschiedenen Projekte dieser Studie
¨ist die Uberpru¨fung der Vorhersagen von stellaren Entwicklungsmodellen. In dieser Arbeit
wird der erste Katalog von integrierten, alten (≥1 Gyr) Kugelsternhaufenspektren im nah-
infrarotenSpektralbereichvero¨ffentlicht. MitHilfedesFla¨chen-SpektrographensSINFONIam
Very Large Telescope (VLT) wurden integrierte Spektren von sechs Kugelsternhaufen in der
großenmagellanschenWolke(GMW)beobachtet. Vondiesengeho¨rendreizuralten(≥10Gyr)
und metallarmen ([Z/H]∼–1.4) Population, die anderen drei haben ein mittleres Alter (1 - 3
12Gyr) und sind metallreicher ([Z/H]∼–0.4). Die Sta¨rke der NaI, CaI und CO(2–0) Absorp-
tionslinien im K-Band wurde bestimmt und der D Linienindex wurde mit Modellvorher-CO
sagenvon Maraston(2005) verglichen. Die Beobachtungenderalten und metallarmen Kugel-
¨sternhaufenzeigeneineakzeptable Ubereinstimmungmit denModelvorhersagen. Die Kugel-
sternhaufen mittleren Alters weichen jedoch stark von den Modellen ab. Wa¨hrend die Mod-
elle einenAnstiegdesIndexesvoraussagen,wird jedocheinmarkanterAbfall desIndexesbei
einemAltervon∼1Gyrbeobachtet. DieswirdaufdieUnterschiedezwischendenindenMod-
ellenverwendetenSpektrenkohlenstoffreicherAGBSterneunddeneninKugelsternhaufender
GMWvorkommendenzuru¨ckgefu¨hrt. DieseAussagebasiertaufderBeobachtung,dassgalak-
tischeundGMWKohlenstoffsternebeigleicher (J− K)Farbeverschiedene D Index-Sta¨rkenCO
zeigen. Die Beobachtungenvonfru¨henFeldgalaxienundFornaxHaufengalaxienzeigen,dass
dieNaI und D Indizesa¨hnlichenIndex-σRelationenfolgenwieMetallindizesimoptischenCO
Wellenla¨ngenbereich. Der NaI Index zeigt eine hervorragende, positive Korrelation mit der
Ha¨ufigkeitvonMetallenfu¨ralteGalaxien;imGegensatzzuMetallindizesimoptischenBereich
steigtderNaIIndexmitabnehmendemAlterderGalaxiean. EswirdeineempirischeEichung
des NaI Index als Funktion der Ha¨ufigkeit von Metallen beschrieben und ein Zweiindex-
Diagramm aus dem optischen Hβ Index und dem nah-infraroten NaI Index zur Alters und
Metallizita¨tsbestimmungvorgeschlagen. Der D IndexalsFunktionderMetallizita¨t zeigteinCO
a¨hnlichesVerhalten,jedochmiteinerdeutlichschwa¨cherenAbha¨ngigkeitundauchmiteinem
komplexeren Verhalten bei ju¨ngerem Alter der Galaxie. Es gibt Anhaltspunkte fu¨r eine Sat-
urierungdes D IndexoberhalbdoppeltsolarerMetallizita¨t. Die zentraleGalaxie desFornaxCO
Haufens wurde mit einem Fla¨chen-Spektrographen beobachtet, wobei durch adaptive Optik
eine exzellente ra¨umliche Auflo¨sung erreicht wurde. Die Existenz eines zentralen Minimums
′′in der Geschwindigkeitsdispersion fu¨r r ≤ 0. 2 wird besta¨tigt und Minima der NaI und DCO
Indizesu¨berdenselbenra¨umlichen Bereichfestgestellt. EinSzenario indemderGalaxienkern
auseinemkalten,entwedermetallarmenodermetallarmenundju¨ngerenUntersystembesteht
wirdalsErkla¨rungvorgeschlagen.Contents
1 Introduction 1
1.1 Galaxies–thebuildingblocks ofthevisibleUniverse . . . . . . . . . . . 1
1.2 Thestellarcontentofnearbyearly-typegalaxies . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Calibratingstellarpopulationmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 A3DviewofthestellarpopulationsinthelocalUniverse . . . . . . . . . 5
1.5 Aimsandoutlineofthisthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Near-IR3DspectroscopywithSINFONI 9
2.1 SINFONI–instrumentdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Adaptiveoptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 3Ddatacubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Thenear-IRsky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.1 Observational techniquesinthenear-IR . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2 Importanceofgoodskysubtraction andtelluriccorrection . . . . 14
2.5 TheSINFONIdatareductionpipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.1 Overviewofthepipelinetasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.2 Cleaningskylineresiduals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Linestrengthindicesinthenear-IR 19
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 K-band indexdefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Atomicindices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
123.2.2 The CO(2–0)molecularindex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Indexmeasurementprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Indexcalibrationtoacommonsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.1 Spectralresolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.2 Restframevelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.3 Velocitydispersionmeasurementsandcorrections . . . . . . . . . 28
4 Integratednear-IRspectraofsixglobularclustersintheLMC 33
4.1 Motivation oftheproject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Sampleselection . . . . . . . . . .