Traçando a evolução de galáxias próximas via síntese fotoespectral

Abstract

Esta tese apresenta o desenvolvimento, validação e aplicação de uma metodologia inovadora para derivar propriedades físicas de galáxias a partir de dados fotométricos multibanda dos levantamentos Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) e Javalambre Photometric Local Universe Survey (J-PLUS). Primeiramente desenvolvemos uma pipeline robusta de pré-processamento, melhorando significativamente o sinal-ruído dos dados e permitindo análises até partes mais externas das galáxias. Posteriormente, introduzimos aprimoramentos no código de síntese espectral AlStar, que permite estimar simultaneamente propriedades estelares e nebulares. Implementamos um prior empírico que utiliza a largura equivalente combinada de Ha+[N II], que é medida de forma robusta no filtro estreito J-0660, para restringir a base de modelos nebulares. Esse prior quebra a degenerescência fundamental entre Ha e [N II], permitindo a obtenção das linhas separadamente e, portanto, diagnósticos nebulares muito mais úteis. Fizemos uma série de simulações que compararam os resultados do AlStar para fotometria sintética do S-PLUS (input) com ajustes espectrais do SDSS (output) para mais de 10000 galáxias. Obtivemos ótima concordância, com dispersões output - input menores que 0.2 dex para propriedades estelares (massas, idades, metalicidades e extinção) e entre 0.05 e 0.2 dex para as larguras equivalentes das linhas de emissão ([O II], Hß, [O III], Ha, [N II], [S II]). Obtivemos também bons resultados para razões de linhas log [N II] /Ha, log [O III]/Hß, log Ha/Hß e log [O III]/[O II], com dispersões dentro de 0.09 dex quando as linhas envolvi- das possuem largura equivalente W > 5 Å. Testes para diferentes redshifts (z = 0.02, 0.04 e 0.06) mostram que resultados para as propriedades estelares se mantiveram igualmente bons, enquanto a dispersão nas propriedades nebulares aumenta por apenas ~ 0.1 dex. Resultados para a galáxia NGC 1365 com cubos do S-PLUS confirmaram a robustez do método, produzindo mapas de linhas de emissão e propriedades estelares semelhantes aos derivados a partir de espectroscopia de campo integral do MUSE. A metodologia validada foi então aplicada a cubos de dados do J-PLUS para os grupos de galáxias M101 e M51. Obtivemos mapas de propriedades estelares e nebulares e correlações entre as propriedades para todas as galáxias dos grupos. Ambos os grupos mostram resultados consistentes com a literatura, exibindo efeito de downsizing e seguem a star-forming main sequence. O grupo M101 mostra-se dinamicamente jovem, com galáxias que preservam seus gradientes de formação inside-out, com formação estelar ainda ativa e generalizada, e não mostram sinais de quenching ambiental. Em contraste, o grupo M51 apresenta sinais de evolução mais avançada, com gradientes de idade e metalicidade mais planos, maior conteúdo de poeira e evidências de quenching ambiental em algumas galáxias. Essas diferenças refletem os distintos estágios dinâmicos dos dois grupos e ilustram o impacto do ambiente na evolução das galáxias, mesmo em sistemas de baixa massa. Os resultados obtidos nesta tese demonstram que a combinação S/J-PLUS + AlStar permite análises análogas às de espectroscopia de campo integral, possibilitando comparações robustas de grandes amostras de galáxias em diferentes ambientes.

Abstract: This thesis presents the development, validation, and application of an innovative methodology to derive the physical properties of galaxies from multiband photometric data obtained by the Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) and the Javalambre Photometric Local Universe Survey (J-PLUS). We first developed a robust preprocessing pipeline that significantly improves the signal-to-noise ratio of the data, enabling analyses that extend to the outermost regions of galaxies. Subsequently, we introduced major improvements to the spectral synthesis code AlStar, which allows for the simultaneous estimation of stellar and nebular properties. An empirical prior was implemented based on the combined equivalent width of Ha+[N II], which is robustly measured in the narrow- band filter J-0660, to constrain the nebular base models. This prior breaks the fundamental degeneracy between Ha and [N II], allowing these lines to be recovered separately and thus enabling more reliable nebular diagnostics. We performed extensive simulations comparing AlStar results for synthetic S-PLUS photometry (output) with full spectral fitting results from the SDSS (input) for over 10000 galaxies. Excellent agreement was achieved, with output?input dispersions smaller than 0.2 dex for stellar properties (masses, ages, metallicities, and extinction) and between 0.05 and 0.2 dex for the equivalent widths of emission lines ([O II], Hß, [O III], Ha, [N II], [S II]). We also obtained good results for emission-line ratios, such as log [N II] /Ha, log [O III]/Hß, log Ha/Hß, and log [O III]/[O II], with dispersions within 0.09 dex for lines with equivalent width W > 5 Å. Tests at different redshifts (z = 0.02, 0.04, and 0.06) showed that stellar properties remain equally well recovered, while the dispersion in nebular properties increases by only ~0.1 dex. Results for the galaxy NGC 1365 based on S-PLUS data cubes confirmed the robustness of the method, producing emission-line and stellar property maps consistent with those obtained from MUSE integral field spectroscopy. The methodology was then applied to J-PLUS data cubes of galaxies in the M101 and M51 groups. We derived spatially resolved maps of stellar and nebular properties and explored correlations among them for all group members. Both groups show trends consistent with literature results, following the star-forming main sequence and exhibiting a clear downsizing effect. The M101 group appears dynamically young, with galaxies that preserve their inside-out formation gradients, maintain widespread star formation, and show no evidence of environmental quenching. In contrast, the M51 group shows signatures of more advanced evolution, with flatter age and metallicity gradients, higher dust content, and evidence of environmental quenching in some galaxies. These differences reflect the distinct dynamical stages of the two groups and illustrate the impact of environment on galaxy evolution, even in relatively low-mass systems. The results presented in this thesis demonstrate that the combination of S/J-PLUS multiband photometry with the AlStar code allows for analyses analogous to integral field spectroscopy, enabling robust comparisons of large galaxy samples in different environments.