The environment as a driver of galaxy evolution with the miniJPAS survey

Abstract

This thesis aims at discerning the effect of environment on galaxy evolution and on the properties of galaxies, which still remains under debate after decades. We use the data from the miniJPAS survey, a 1 deg2 survey that uses the same photometric filter system as the incoming J-PAS survey, which is already in its scientific verification phase. This system is composed of 56 narrow-band filters that provide an spectral resolution comparable to low-resolution spectroscopy. We study the effect of environment using two approaches. The first approach consists on the study of the properties of the spatially resolved galaxies from miniJPAS by taking advantage of its large field of view and photometric system, which brings the opportunity to perform unbiased IFU-like studies in different environments. Secondly, we studied the galaxy population in the most massive galaxy cluster detected in the miniJPAS footprint, that is, the cluster mJPC2470–1771. In order to study the properties of the spatially resolved galaxies, we have developed a tool that automatises all the required processes for the analysis of the data. These mainly comprise the download of scientific tables and images, the masking of nearby sources, PSF homogenisation of the miniJPAS images, the definition of galaxy regions, and the determination of the integrated fluxes and magnitudes of each region. With these magnitudes, the stellar population properties are constrained using BaySeAGal (an external and bayesian fitting code for spectral energy distribution). The properties related to emission lines are estimated using an external algorithm based on artificial neural networks, which was specifically trained to work with data from the miniJPAS and J-PAS surveys. After probing the accuracy and reliability of the photmetry obtained with our tool, we apply it to a miniJPAS sample of spatially resolved galaxies, divided into four sub-samples according to their spectral-type (red/quiescent and blue/star forming), and environment (field or galaxy group). With this classification we studied the stellar population properties and the emission lines of the regions of these spatially resolved galaxies, as well as the effect of environment. For this purpose, we compare the properties of the four categories of galaxies, using stellar surface mass density– colour diagrams, radial profiles of the properties, and stellar population gradients. In addition, we explore the relation between some of these properties and comparing the star formation history of inner and outer parts of the galaxies. We find that the properties of the regions of blue and red galaxies are well differentiated, but there we do not find any significant effect of the environment on them. We find that redder, denser regions are usually older, more metal rich, and show lower values of the intensity of the star formation rate and the specific star formation rate than bluer and less dense regions. The higher extinction values are found in blue, dense regions, as well as some of the most metal rich regions. Regarding the mJPC2470–1771 cluster, we obtain their stellar population properties using Bay- SeAGal, and we select a sample of emission line galaxies using a contrast method along with the previous artificial neural networks. Our results point that more massive, redder and older galaxies typically populate the inner regions of the cluster. Most of the emission line galaxies are blue, star forming galaxies, which are more common in the cluster outskirts. Furthermore, active galactic nuclei host are also detected, with a greater presence in the central regions of the cluster. As a conclusion, our results suggest that galaxies in clusters are formed at a similar epoch, but have experienced different star formation histories. We conclude that the environment plays a role on galaxy evolution, but it is mainly reflected through the galaxy populations found in high density environments, such as galaxy clusters and groups, where the fraction of red, quiescent galaxies is larger in comparison to the field. On the other hand, the distribution of the properties of blue galaxies is shifted towards more massive, redder, and older values. However, at a fixed value of the stellar mass and colour, these properties are similar to their counterparts in the field. Similarly, the properties of the regions of the spatially resolved galaxies are well determined by their colour and stellar mass density, but the group environment is not dense enough as to show any significant difference on the properties of the regions of galaxies in groups when compared to galaxies in the field. In the spatially resolved case, this may be a consequence of the typical mass of the groups in our spatially resolved sample, since it might not be high enough to produce a significant effect on the properties of the galaxies, as opposed to the case of massive galaxy clusters. The importance of the mass of the group or the cluster is observed for example in the quenched fraction excess, which is significantly larger in the cluster than in the low mass groups found in miniJPAS.

El objetivo de esta tesis doctoral es discernir el efecto del entorno en la evolución y las propiedades de las galaxias, que sigue siendo objeto de debate tras décadas de investigación. Para ello usamos los datos de miniJPAS, un sondeo de 1 grado cuadrado que utiliza el mismo sistema de filtros fotométricos que sondeo J-PAS, el cual se encuentra en su fase de verificación científica. Este sistema se compone de 56 filtros de banda estrecha que proporcionan una resolución espectral comparable a la espectroscopia de baja resolución. Estudiamos el efecto del entorno mediante dos enfoques distintos. El primero consiste en el estudio de las propiedades espacialmente resueltas de las galaxias de miniJPAS, aprovechando su gran campo de visión y su sistema de filtros, que permiten realizar estudios de tipo IFU libres de sesgos en distintos entornos. Posteriormente, estudiamos las poblaciones de galaxias pertenecientes al cúmulo de galaxias más masivo detectado en el campo de miniJPAS, esto es, el cúmulo mJPC2470–1771. Para poder estudiar las propiedades de las galaxias espacialmente resueltas hemos desarrollado un herramienta que automatiza todos los procesos requeridos para el análisis de los datos. Estos procesos se componen principalmente de la descarga de las tabla e imágenes científicas, el enmascaramiento de las fuentes cercanas, la homogeneización de PSF de las imágenes de miniJPAS, la segmentación de la galaxia en distintas regiones y el cálculo de los flujos y magnitudes integrados en dichas regiones. Con estas magnitudes, constreñimos las propiedades de las poblaciones estelares utilizando BaySeAGal (un código externo y bayesiano para el ajuste de la distribución de la energía espectral). Las propiedades relacionadas con las líneas de emisión son estimadas con un algoritmo externo basado en redes neuronales artificiales, entrenado específicamente para trabajar con los datos de miniJPAS y J-PAS. Tras demostrar la precisión y fiabilidad de la fotometría obtenida con nuestra herramienta, procedemos a aplicarla a la muestra de galaxias espacialmente resueltas en miniJPAS, divididas en cuatro subgrupos de acuerdo a su tipo espectral (rojas/pasivas y azules/con formación estelar), y entorno (campo o grupo de galaxias). Con esta clasificación, estudiamos las propiedades de las poblaciones estelares y de las líneas de emisión de las regiones de estas galaxias espacialmente resueltas, así como el efecto del entorno en ellas. Para tal propósito, comparamos las propiedades de las cuatro categorías de galaxias, usando diagramas de densidad de masa estelar–color, perfiles radiales de las propiedades y los gradientes de las propiedades de las poblaciones estelares. Adicionalmente, exploramos la relación entre algunas de estas propiedades y comparamos la historia de formación estelar de las partes internas y externas de las galaxias. Nuestros resultados muestran que las propiedades de las regiones de las galaxias azules y rojas están bien diferenciadas, pero no encontramos ningún efecto significativo del entorno en ellas. Encontramos que las regiones más rojas y más densas son en general más viejas, más metálicas y muestran valores más bajos de la intensidad de la formación estelar y de la formación estelar específica en comparación a las regiones más azules y menos densas. Los valores más altos de la extinción se encuentran en regiones azules y densas, así como algunas de las regiones más metálicas. En relación al cúmulo mJPC2470–1771, obtenemos las propiedades de las poblaciones estelares utilizando BaySeAGal, y seleccionamos una muestra de galaxias con líneas de emisión usando un método de contraste junto a las redes neuronales artificiales previamente mencionadas. Nuestros resultados indican que las galaxias, más masivas, rojas y viejas se encuentran típicamente en las regiones más internas del cúmulo. La mayoría de las galaxias con líneas de emisión son galaxias azules y con formación estelar, siendo más comunes en las zonas más externas del cúmulo. Además, detectamos las galaxias con núcleos activos, que se encuentran principalmente en la zona central del cúmulo. Como conclusión, nuestros resultados sugieren que las galaxias pertenecientes a los cúmulos se formaron en épocas cósmicas similares, pero han experimentado historias de formación estelar distintas. Concluimos que el entorno juega un papel en la evolución de galaxias, pero ´este queda reflejado principalmente en las poblaciones de galaxias encontradas en entornos de alta densidad, tales como los grupos y cúmulos de galaxias, donde la fracción de galaxias rojas pasivas es mayor que la encontrada en el campo. Por otro lado, la distribución de las propiedades de las galaxias azules está desplazada hacia valores más masivos, rojos y viejos. Sin embargo, para un mismo valor de la masa y el color, las propiedades de estas galaxias son similares a sus homólogas en el campo. En el caso de las galaxias espacialmente resueltas, esto puede ser una consecuencia de la masa de los grupos en nuestra de galaxias espacialmente resueltas, ya que podría no ser lo suficientemente alta como para mostrar un efecto significativo en las propiedades de las galaxias, en contraposición a los cúmulos masivos de galaxias. La importancia de la masa del grupo o el cúmulo se observa por ejemplo en el exceso de la fracción de galaxias pasivas, que es significativamente más alto en el cúmulo que en los grupos de baja masa encontrado en miniJPAS.