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Voggel, Karina (2016): The boundary between star clusters and dwarf galaxies: what is the nature of diffuse star clusters and ultra-compact dwarf galaxies?. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

This thesis examines the properties of extended star clusters and ultra-compact dwarf galaxies (UCDs), and aims to establish their nature and provide insights into their formation mechanisms. In terms of their sizes and magnitudes, they are both located in the gap region between classical dwarf galaxies and globular clusters (GCs), which challenged many previous definitions of what constitutes a star cluster and what is the definition of a galaxy. Their formation and evolution is not yet understood. In this thesis, I use deep imaging to study the properties of UCDs in the Fornax cluster. Decomposing the UCD surface brightness profiles in two components revealed the existence of faint stellar envelopes surrounding their compact cores, and for the first time the presence of significant tidal tails around some UCDs. The envelopes are the likely remnants of the former host dwarf galaxy, and the tails mark the first detection of UCDs caught during the stripping process. If future follow-up studies can confirm them as stripped nuclei, it would provide the missing evolutionary link between dwarf galaxies and UCDs. I also developed a new method to statistically constrain the contribution of different formation channels to the total UCD population in the Fornax cluster. This method tests if GCs are more abundant in the vicinity of UCDs than what is expected from their global distribution in the halo of the central Fornax galaxy NGC1399. A local overabundance of GCs was found around UCDs within 1 kpc. This clustering effect is stronger for the metal-poor blue GCs, which would be consistent with a remnant GC systems of a stripped dwarf galaxy. On the faint end of the dwarf galaxy-star cluster boundary region, I perform an observational study of Crater/ Laevens I, an object in the outer halo of the Milky Way, which has an ambiguous nature. To determine whether this object hosts multiple stellar populations and whether it contains dark matter, it was observed with the integral field spectrograph MUSE on the VLT. Using radial velocity measurements, 26 stars were confirmed as members of Crater. I developed a new method to quantify the spatially-dependent systematic velocity uncertainties in the MUSE cube which improved the velocity accuracy. Using a maximum likelihood analysis, the data reveal that Crater has a dynamical mass-to-light ratio that is consistent with a stellar system dominated by baryonic matter. These findings support that Crater is a faint outer halo globular cluster and not a dwarf galaxy. Finally, I compare the MUSE spectra with synthetic stellar models, to determine the metallicities of Crater’s stars. I identify an iron spread of Sigma[Fe=H] = 0.15±0.05 dex for the member stars, which is consistent within 2Sigma with iron dispersions of GCs and much smaller than iron spreads in dwarf galaxies. This finding further supports that Crater is a GC and not a dwarf galaxy. Surprisingly, two blue stars offset from the red giant branch have similar metallicities and velocities as Crater’s member stars, and thus are as well likely member stars of the system. They can be explained with evolution models of post-horizontal branch stars. This thesis has shown that detailed as well as global studies can shed light on the nature and formation channels of dwarf galaxy-star cluster transition objects.

Abstract

In dieser Doktorarbeit werden die Eigenschaften von diffusen Kugelsternhaufen und ultrakompakten Zwerggalaxien (ultra-compact dwarf galaxies, UCDs) untersucht, um deren Beschaffenheit und Entstehungsmechanismen besser zu verstehen. Bezogen auf ihre Größen und Helligkeiten befinden sich beide im Bereich zwischen klassischen Zwerggalaxien und Kugelsternhaufen, was viele vorherige Definitionen von Kugelsternhaufen und Zwerggalaxien in Frage gestellt hat. Ihre Entstehung und Entwicklung ist noch nicht verstanden. In dieser Arbeit habe ich tiefe photometrische Beobachtungen dazu benutzt, um die Eigenschaften von UCDs im Fornaxhaufen zu untersuchen. Das Aufteilen der Oberflächenhelligkeitsprofile in zwei Komponenten hat gezeigt, dass schwache stellare Hüllen die Kernkomponente umgeben, und zum ersten mal wurden signifikante Gezeitenarme um UCDs entdeckt. Die stellaren Hüllen sind wahrscheinlich die Überreste der Mutter- Zwerggalaxie, und die Gezeitenarme kennzeichnen die erste Beobachtung von UCDs während des Stripping Prozesses. Wenn zukünftige Beobachtungen UCDs mit Gezeitenarmen als ehemalige Kerne von Galaxien bestätigen, wären sie das fehlende Bindeglied zwischen Zwerggalaxien und UCDs. Zudem habe ich eine neue statistische Methode entwickelt, um die Anteile verschiedener Entstehungsmechanismen zur gesamten UCD Population im Fornaxhaufen zu bestimmen. Die Methode überprüft, ob Kugelsternhaufen häufiger in der Nähe von UCDs vorkommen als was von ihrer globalen Verteilung im Halo von NGC1399 erwartet wird. In der Tat wurde eine lokale Häufung von Sternhaufen innerhalb von 1 kpc um UCDs gefunden. Dieser Häufungseffekt ist stärker für die metallarmen blauen Kugelsternhaufen, und ist konsistent mit Rest-Kugelsternhaufensystemen um gestrippte Zwerggalaxien herum. Am schwachen Ende der Zwerggalaxie-Sternhaufen Übergangsregion, habe ich Crater/ Laevens I, ein Objekt im äußeren Halo der Milchstraße, studiert. Seine Eigenschaften sind sehr kontrovers, da es Hinweise dafür gibt, dass es eine Zwerggalaxie ist und andere, die die Interpretation als Kugelsternhaufen unterstützen. Um herauszufinden, ob Crater mehrere Sterngenerationen und/oder dunkle Materie beinhaltet, wurde es mit dem Integralfeldspektrographen MUSE am VLT beobachtet. Mit Radialgeschwindigkeitsmessungen konnten 26 Sterne als Mitglieder von Crater bestätigt werden. Dazu habe ich eine neue Methode entwickelt, um die positionsabhänginge systematische Geschwindigkeitsunsicherheit für einen MUSE Beobachtung zu bestimmen, was die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung verbessert hat. Mit einer Maximum-Likelihood Methode wurde ein Masse-Leuchtkraft Verhältnis gemessen, dass mit einem rein baryonischen Sternsystem übereinstimmt. Dieses Ergebnis bekräftigt, dass Crater ein schwacher Kugelsternhaufen im äußeren Halo ist, und keine Zwerggalaxie. Im dritten Kapitel werden die MUSE Spektren mit synthetischen Sternmodellen verglichen, um die Metallizitäten von Craters Sternen zu bestimmen. Wir messen eine Dispersion der Eisenhäufigkeit von Sigma[Fe=H] = 0.15 ± 0.05 dex. Diese stimmt innerhalb von 2 Sigma. mit den typischen Dispersionen in Kugelsternhaufen überein und ist deutlich kleiner als die in Zwerggalaxien. Auch dieses Resultat unterstützt die Interpretation von Crater als Kugelsternhafen. Zwei blaue Sterne außerhalb des Riesenastes haben überraschenderweise dieselben Elementhäufigkeiten und Radialgeschwindigkeiten wie die Mitgliedssterne von Crater und sind daher höchstwahrscheinlich Teil des Crater Systems. Beide Sterne können mit Modellen für post-Horizontalastentwicklung erklärt werden. Diese Doktorarbeit hat gezeigt, dass man mit Detailstudien als auch mit globalen Studien die Entstehung und Beschaffenheit von Zwerggalaxien und Sternhaufen im Übergangsbereich herausfinden kann.