The formation and the stellar populations of dwarf galaxies

Abstract

Ultra-compact dwarf galaxies (UCDs) are stellar systems with masses similar to those of dwarf elliptical galaxies (dEs), but with characteristic radii that are about a factor of ten smaller than those of dEs. One of the most intriguing properties of UCDs is that the mass-to-light ratios implied by their internal dynamics are rather high, even though it is unlikely that UCDs contain significant amounts of dark matter. This suggests that the reason for the high mass-to-light ratios is a varying stellar initial mass function (IMF) in UCDs, even though the IMF seems remarkably invariant in the Milky Way. This apparently invariant IMF for star forming systems in the Milky Way is known as the canonical IMF. In principle, the mass-to-light ratios of an old stellar population be increased either by additional faint, low-mass stars or by additional remnants of massive stars. In order to decide which one of these two cases applies to the UCDs, the frequency of bright X-ray sources in UCDs was studied. This is because a bright X-ray source in a UCD can be interpreted as a low-mass X-ray binary (LMXB), which is composed of a low-mass star and a stellar remnant. The fraction of the UCDs in the Virgo cluster that contain a bright X-ray source is indeed remarkably high, and the variation of the IMF that explains this frequency of X-ray sources with an overabundance of LMXBs in these UCDs is consistent with their high mass-to-light ratios. This suggests that the UCDs formed with a larger number of massive stars than the canonical IMF would imply. As a consequence, the UCDs would have been extremely dense when star-formation took place in them. These extreme initial conditions may be the reason why the IMF in UCDs would deviate from the canonical IMF in the first place. Regarding the origin of the UCDs, it has been argued before that they are created by the interaction between gas-rich galaxies. However, the formation of dEs may have been triggered by the same process, even though their structural parameters are largely different from those of UCDs. This notion is supported (among other reasons) by the finding that young galaxies that formed through the interaction between gas-rich galaxies would probably evolve into dEs as far as their masses and radii are concerned. This formation scenario for dEs poses however a challenge to the currently prevailing cosmological model.

<strong>Die Entstehung und die Sternpopulationen von Zwerggalaxien</strong><br /> Ultrakompakte Zwerggalaxien (ultra-compact dwarf galaxies, UCDs) sind Sternsysteme, die Massen ähnlich derer von Zwerg-Elliptischen Galaxien (dwarf elliptical galaxies, dEs) haben, aber deren charakteristische Radien um etwa einen Faktor 10 kleiner als die von dEs sind. Eine der erstaunlichsten Eigenschaften von UCDs ist dass ihre interne Dynamik recht hohe Masse-zu-Leuchtkraftverhältnisse implizieren, obwohl es unwahrscheinlich ist dass UCDs nennenswerte Mengen an dunkler Materie enthalten. Das legt nahe dass der Grund für die hohen Masse-zu-Leuchtkraftverhältnisse eine veränderliche stellare Anfangsmassenfunktion (stellar initial mass function, IMF) ist, obwohl die IMF in der Milchstrasse anscheinend bemerkenswert gleichbleibend ist. Diese anscheinend gleichbleibende IMF wird als die kanonische IMF bezeichnet. Prinzipiell kann das Masse-zu-Leuchtkraftverhältnis einer alten Sternpopulation entweder durch zusätzliche leichte, leuchtschwache Sterne, oder durch zusätzliche Überreste massiver Sterne erhöht werden. Um zu entscheiden welcher der beiden Fälle auf die UCDs zutrifft, wurde die Häufigkeit heller Röntgenquellen in UCDs untersucht. Der Grund dafür ist dass eine solche Röntgenquelle als ein leichter Röntgendoppelstern (low-mass X-ray binary, LMXB) interpretiert werden kann, der aus einem Neutronenstern und einem leichten Stern besteht. Der Bruchteil von UCDs im Virgohaufen, der eine helle Röntgenquelle enthält ist in der Tat bemerkenswert hoch, und die veränderliche IMF, welche diese Häufigkeit von Röntgenquellen mit einer großen Anzahl von LMXBs erklären kann, ist auch konsistent mit den hohen Masse-zu-Leuchtkraftverhältnissen dieser UCDs. Das legt nahe dass UCDs mit mehr massiven Sternen entstehen als die kanonische IMF impliziert. Als Konsequenz wären die UCDs zu dem Zeitpunkt, an dem Sternentstehung in ihnen stattgefunden hat, extrem dicht gewesen. Falls die IMF in UCDs von der kanonischen IMF abweicht, können diese extremen Anfangsbedingungen der eigentliche Grund dafür sein. Hinsichtlich des Ursprunges UCDs ist argumentiert worden dass sie durch Wechselwirkungen zwischen gasreichen Galaxien entstanden sein könnten. Die Bildung von dEs könnte allerdings durch denselben Prozess ausgelöst werden, obwohl sich ihre strukturellen Parameter erheblich von denen von UCDs unterscheiden. Diese Sichtweise wird (unter anderem) dadurch gestützt dass junge Galaxien, die durch die Wechselwirkung zwischen gasreichen Galaxien entstanden sind, sich hinsichtlich ihrer Massen und Radien wahrscheinlich zu dEs entwickeln. Dieses Szenario für die Entstehung von dEs ist jedoch eine Herausforderung für das zur Zeit vorherrschende kosmologische Modell.