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Early-type galaxies and their sometimes not so old globular clusters [Elektronische Ressource] / Maren Hempel

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Early-Type Galaxies And TheirSometimes Not So Old Globular ClustersMaren HempelMunch¨ en 2004Early-Type Galaxies and TheirSometimes Not So Old Globular ClustersMaren HempelDissertationan der Fakult¨at fur¨ Physikder Ludwig–Maximilians–Universit¨atMunc¨ henvorgelegt vonMaren Hempelaus Karl-Marx-StadtMunc¨ hen, 17.08.2004Erstgutachter: Prof. Dr. Ralf BenderZweitgutachter: Prof. Dr. Andreas BurkertTag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 15.10.2004The most exciting phrase to hear in science, the one that heralds new discoveries,is not ’Eureka!’ (I found it!), but ’That’s funny...’.Isaac Asimov (1920- 1992)iContents1 Introduction 21.1 Formation and Evolution of Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Early-Type Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1 Galaxy Formation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.1.1 Monolithic Collapse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.1.2 Hierarchical Merging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.2 Age determination of Stellar Populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.2.1 At Our Doorstep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.2.2 In our Neighborhood and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.2.3 Single Stellar Population Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.3 Globular Cluster Systems . . . . . . . . . . . . . . .

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Published 01 January 2004
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Language English
Document size 10 MB

Early-Type Galaxies And Their
Sometimes Not So Old Globular Clusters
Maren Hempel
Munch¨ en 2004Early-Type Galaxies and Their
Sometimes Not So Old Globular Clusters
Maren Hempel
Dissertation
an der Fakult¨at fur¨ Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Munc¨ hen
vorgelegt von
Maren Hempel
aus Karl-Marx-Stadt
Munc¨ hen, 17.08.2004Erstgutachter: Prof. Dr. Ralf Bender
Zweitgutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 15.10.2004The most exciting phrase to hear in science, the one that heralds new discoveries,
is not ’Eureka!’ (I found it!), but ’That’s funny...’.
Isaac Asimov (1920- 1992)i
Contents
1 Introduction 2
1.1 Formation and Evolution of Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Early-Type Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Galaxy Formation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1.1 Monolithic Collapse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1.2 Hierarchical Merging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Age determination of Stellar Populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2.1 At Our Doorstep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2.2 In our Neighborhood and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2.3 Single Stellar Population Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3 Globular Cluster Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3.1 Formation of Globular Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.3.2 Globular Cluster Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4 Scientific Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Extragalactic Globular Clusters in the Near Infrared: IV. Quantifying the Age
Structure using Monte-Carlo Simulations 28
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Modeling of color distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Overview of the method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Input parameters to the simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Variables of the simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4 Monte-Carlo simulation to get a set of primary colors . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.5 Determination of the second color and observational errors . . . . . . . . . . 35
2.3 Quantifying the age structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Cumulative age distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
22.3.2 The comparison with observed data: χ -test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 Comparison of different SSP models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4 Potential caveats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39ii
2.4.1 Contamination with background objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Stability of contamination correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.3 Is there a significant intermediate age cluster population? . . . . . . . . . . . 43
2.5 Results for observed systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.1 NGC 5846 and NGC 4365 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.2 M87 and NGC 7192 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6 Discussion and conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 Extragalactic Globular Clusters in the Near Infrared:
III. NGC 5846 and NGC 7192
Quantifying the age distribution of sub-populations 58
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Observations and Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1 VLT/ISAAC Near–Infrared Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1.1 Photometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 HST/WFPC2 Optical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.3 Selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Color-color diagrams for NGC 5846 and NGC 7192 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.1 NGC 5846 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.2 NGC 7192 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4 Determining the age structure from color-color diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.1 Color distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.2 Cumulative age structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4.2.1 Artificial data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.2.2 Observed data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.3 Contamination of background objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5 Conclusions and future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5.2 Future work on age dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4 Intermediate-age Globular Clusters in early-type Galaxies
BetteragedeterminationsbyaddingU-bandobservationstotheV,I,Kdatasets 80
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2 VLT/FORS1 U-band Photometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2 Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3 Combined U,V,I,K photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85iii
4.3.1 NGC 4365 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.2 NGC 5846 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Color-color diagrams for NGC 4365 and NGC 5846 . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4 Age sub-populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.1 Cumulative Age Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.2 Impact of the sample size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.3 Age structures in NGC 4365 and NGC 5846 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5 Discussion and Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5 Extragalactic Globular Clusters in the Near Infrared V.:
IC 4051 and NGC 3311 100
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2 Observations and Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2.1 Optical data: HST/WFPC2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2.2 Near-Infrared Data: HST/NICMOS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2.2.1 IC 4051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2.2.2 NGC 3311 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.1 Color-Color Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.1.1 IC 4051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.1.2 NGC 3311 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.2 Cumulative Age Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4 Metallicity Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6 Influence of the various Single Stellar Population models 128
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Comparison Single Stellar Population Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.1 Model Settings: Size of the reference sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7 Globular Cluster Systems vs. Globular Cluster Systems 140
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.2 Age Structure in Globular Cluster Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.2.1 Modification in the Monte-Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.3 Galaxy Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.3.1 Cluster Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145iv
7.3.2 Group galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.3.3 Isolated Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8 Summary 158
8.1 Synopsis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160