Stellar tidal streams in the local Universe

• Autores: Juan Esteban Miro Carretero
• Directores de la Tesis: María de los Ángeles Gómez Flechoso (dir. tes.) , David Martínez Delgado (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Corrientes estelares de marea en el Universo local
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Javier Gorgas García (presid.) , Patricia Sánchez Blázquez (secret.) , Giuseppina Battaglia (voc.) , Fernando Buitrago Alonso (voc.) , Konrad Kuijken (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Astrofísica por la Universidad Complutense de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    De acuerdo con el marco establecido para la evolución de las galaxias, estas crecen mediante fusiones con otras galaxias. Las corrientes estelares de marea tienen su origen en la interacción entre una galaxia central y un sistema de menor masa, tal como una galaxia satélite o un cúmulo globular, llegando a producirse lo que se conoce como una fusión menor. El modelo cosmológico ΛCDM predice que los halos de las galaxias masivas son ricos en restos de tales fusiones. En el Grupo Local, se han identificado muchas subestructuras difusas y establecido su conexión con la evolución de las galaxias. Sin embargo, el Grupo Local no constituye una muestra estadísticamente significativa de corrientes estelares de marea. Por lo tanto, se requiere el análisis de una muestra mayor, mas allá del Grupo Local, para poder estimar la frecuencia y características de esas corrientes y poder verificar si sus propiedades están de acuerdo con las predicciones del modelo ΛCDM.

    En esta tesis se presentan los resultados de la primera búsqueda sistemática de corrientes estelares de marea en los halos de galaxias del Universo local. Se basa en imágenes profundas obtenidas de la última generación de cartografiados fotométricos de gran escala, tales como DESI Legacy Surveys y el Dark Energy Survey (DES) que llegan a un límite de brillo superficial de 29 mag arcsec−2 en la banda g.

    La búsqueda de corrientes de marea llevada a cabo en esta tesis ha revelado más de 70 corrientes de marea a una distancia de hasta 100 Mpc que no habían sido identificadas anteriormente en la literatura. Aplicando un análisis estadístico, se obtiene una frecuencia de detección de corrientes de marea de 9.1% ± 1.1 % para el límite de brillo superficial de la muestra DES; esta frecuencia es consistente con los resultados publicados en la literatura.

    En entre el 5% y el 14% de las corrientes de marea detectadas se han identificado posibles progenitores, según el nivel de confianza que se adopte.

    Como parte de esta tesis, se ha creado un catálogo de corrientes estelares de marea a partir de los resultados del análisis de las corrientes de marea detectadas, incluyendo morfología y fotometría. Si se adjuntan los resultados del trabajo previo contribuido por el autor, la población del catálogo llega a más de 100 corrientes de marea. Este catálogo constituye un primer paso hacia un catálogo más considerable en el marco del Stellar Streams Legacy Survey (SSLS) que incluirá los resultados del análisis de imágenes de otros cartografiados de DESI, así como de observaciones de la misión Euclid de ESA.

    En este trabajo de tesis se incluye una comparación cuantitativa entre la abundancia y características de las corrientes estelares de marea detectadas en el Universo local en la muestra observacional de DES con las predicciones de simulaciones cosmológicas basadas en ΛCDM. Con tal fin, se han transformado los resultados de simulaciones cosmológicas Copernicus Complexio, TNG50 y Auriga en imágenes mock de halos cercanos, en las cuales se buscan corrientes de marea. La frecuencia y fotometría de las corrientes de marea detectadas en las observaciones concuerdan bien, en general, con los hallazgos en las imágenes mock, mientras que la morfología es algo diferente entre las observaciones y las simulaciones y entre las simulaciones entre sí.

    Variando el ruido de fondo de las imágenes sintéticas para emular niveles de brillo superficial diferentes, se obtienen estimaciones de la detectabilidad de corrientes de marea hasta un nivel de 35 mag arcsec−2 . Las simulaciones cosmológicas predicen que para un límite de brillo superficial de 32 mag arcsec−2 se obtendría un tasa de detección de corrientes de marea alrededor de 70% ± 10%.

    El trabajo llevado a cabo en esta tesis se continuará mediante la búsqueda de corrientes de marea en imágenes profundas de otros cartografiados, extendiendo las simulaciones a otros tipos de materia oscura y mayor resolución, así como avanzando la metodología de detección.

  • English

    According to the well established hierarchical framework for galaxy evolution, galaxies grow through mergers with other galaxies. Stellar tidal streams originate from tidal interactions between a central galaxy and lower-mass systems such as satellite galaxies or globular clusters, leading to a so-called minor merger. The ΛCDM cosmological model predicts that the stellar halos of massive galaxies are rich in remnants from such mergers.

    For the Local Group, many diffuse substructures have been identified and their link to galaxy evolution has been traced. However, the Local Group does not offer a statistically significant sample of stellar tidal streams. Thus, an analysis of a larger sample beyond the Local Group is required to better probe the frequency and characteristics of these streams to verify whether these properties are in agreement with the predictions of the ΛCDM model.

    This thesis provides the first systematic survey of stellar tidal streams in the halos of galaxies in the local Universe. The survey is based on deep imaging data recently released by the latest generation of large-scale photometric surveys, such as the DESI Legacy Surveys and the Dark Energy Survey (DES) reaching a surface brightness limit as faint as 29 mag arcsec−2 in the g band.

    The survey carried out in this thesis has revealed more than 70 streams up to a distance of 100 Mpc in the local Universe that were not previously reported. By applying a statistical analysis to the findings, a stream detection frequency of 9.1% ± 1.1% is obtained for the given surface brightness limit of the DES image sample, in agreement with previous studies.

    Stream progenitors could be identified in 5–14% of the stream sample, depending on the confidence level.

    In this thesis work, a catalogue of tidal streams containing the results of the analysis has been created, including stream morphology and photometry parameters. Incorporating the results of previous work contributed by the author, this catalogue of extragalactic streams has more than 100 entries. It constitutes a first step in the construction of a more comprehensive catalogue in the frame of the Stellar Streams Legacy Survey (SSLS) that will include the results of the analysis of images from other DESI surveys, as well as from upcoming observations by the ESA Euclid mission.

    In this thesis, moreover, a quantitative comparison of the abundance and characteristics of stellar tidal streams in the local Universe between the observational data and the predictions from state-of-the-art cosmological simulations, based on ΛCDM, is presented. For this, the outcome of the cosmological simulations Copernicus Complexio, TNG50 and Auriga is converted to mock images of nearby halos in search of stellar streams.There is generally good agreement between the real images and the simulated ones regarding frequency and photometry of the streams, while the stream morphology is somewhat different between observations and simulations, and between simulations themselves.

    By varying the sky background of the synthetic images to emulate different surface brightness limit levels, predictions for the detection rate of stellar tidal streams up to a surface brightness limit of 35 mag arcsec−2 have been obtained. The cosmological simulations predict that for a surface brightness limit of 32 mag arcsec−2 a frequency of almost 70% ± 10% in the detection of streams in the DES sample could be achieved.

    The work carried out in this thesis shall be continued by searching for streams in other deep surveys, by expanding the set of simulations to other flavours of DM and a higher resolution, and by improving the methodology for detecting and characterising streams.