Because of their low surface brightness, a whole population of galaxies (aptly named "Low Surface Brightness galaxies", or LSBs) has gone almost unnoticed in early extragalactic studies. During the last few decades however they have received more and more attention as the observational data on them increased, and as it has been realized that they may play an important role in the processes of formation and evolution of galaxies, and in the chemical evolution of the universe. A team of astronomers, led by Paris Observatory researchers, has just studied a large sample of LSB objects selected from the recently completed 2MASS near-infrared all-sky survey. They have built evolution models of disc galaxies, and shown that LSB galaxies can best be explained when their dark matter halos have a larger specific angular momentum than classical spirals. The (rather rare) red LSBs are accounted for by short-duration events perturbing their star formation history. In the past few decades, has been discovered the existence of galaxies with a central disc surface brightness well below the “Freeman value” of 21.65 mag / arcsec2 in blue light, typical of “classical” spiral galaxies (cf Hubble Atlas). In recent years a considerable body of data has been collected concerning these Low Surface Brightness galaxies (LSBs), and it was realized that they are crucial for studies of galaxy formation and evolution, of cosmic chemical evolution, and of the high redshift universe (especially because of their relatively large number). There is a large variety among the LSBs identified to date, which range from dwarf Ellipticals to giant spirals. Although LSB disc galaxies show a large range in size, surface brightness and absolute magnitude (figure 2), they are in practice often selected using a simple generic criterion, namely a blue central surface brightness lower than 22 mag / arcsec2. To compare with models of properties and evolution of LSBs, 5 samples of LSBs were used, which together cover wide ranges in, e.g., central surface brightness, luminosity, colour and bulge-to-disc ratio. The Digital Sky Survey images of six of these objects (shown in Figure 1) show the difficulty of detecting them in imaging surveys ; one is actually a giant galaxy and one has a prominent bulge and an LSB disc component. It should be noted, however, that there may still be uncharted LSBs with extreme properties which lie beyond the present detection limits.Figure 1. Digital Sky Survey blue images of 6 of the LSB galaxies used to compare with evolutionary models. Each image is 5 x 5 arcmin in size. Click on the figure to enlarge Figure 2. Some properties of disc Low Surface Brightness (LSB) galaxies, (scale-length and central surface brightness of the disc as a function of its absolute magnitude, in the B band). The different symbols indicate various samples of LSBs, which together probe different population of disc-LSB (dwarfs, giants...) ; the green symbols represent galaxies from the present sample of near-infrared selected 2MASS LSBs. The curve marked with stars indicates the position of models made for classical spirals. The other curves are models with larger angular momentum, aimed at modelling LSBs. Click on the figure to enlarge The similarity of this wide range of global properties with those of “classical” High Surface Brightness (HSB) spiral galaxies may provide a clue about their nature and evolution. Models of the formation of dark matter halos (in which galaxies are thought to settle and build up) show that such halos can form with various angular momenta. In this scenario, models of the evolution of disc galaxies can be constructed as function of angular momentum, from low values corresponding to “classical” spirals to higher values representing LSB systems. Since the central surface density of a disc scales as the inverse of the square of the “spin parameter” (a measure of the specific angular momentum of its dark halo), LSB galaxies can be regarded as the extension of classical spirals towards larger angular momentum systems. We therefore extrapolated evolutionary models we had already successfully tested on the Milky Way galaxy and on HSB spirals, by increasing the spin parameter.The predictions of these models on a wide variety of properties of LSBs are in accordance with what is observed for, e.g., disc scale-length, central disc surface brightness and absolute disc magnitude (see figure 2), the relation between mass and luminosity, gaseous content, and (see figure 3) measurements of oxygen abundances in ionized (HII) regions. oxygen.jpg

Figure 3. Oxygen abundance in HII regions of LSB disc galaxies (dots). Classical HSB spirals exhibit a clear relation between absolute disc magnitude and abundances (not shown). This is less clear in LSBs because the observations are made in HII regions at various galactocentric radii. The grey-shades and contours show the abundances expected in models of LSBs with large spin parameters. Click on the figure to enlarge

Figure 3. Oxygen abundance in HII regions of LSB disc galaxies (dots). Classical HSB spirals exhibit a clear relation between absolute disc magnitude and abundances (not shown). This is less clear in LSBs because the observations are made in HII regions at various galactocentric radii. The grey-shades and contours show the abundances expected in models of LSBs with large spin parameters. Click on the figure to enlarge Some LSBs have surprisingly red colours, however, contrary to what is predicted by the simple large-angular momentum models, which have a star formation rate changing smoothly with time . A way to explain this discrepancy is the occurrence of small bursts and truncations in the star formation process, which would affect mainly the colours of the galaxies (as illustrated in figure 4). Such events are relatively more likely to occur in LSB galaxies than in HSB spirals because of the lower densities that characterize them ; indeed, the gas density in LSBs is lower than the “threshold” value for star formation observed in nearby spirals. Under these conditions, the star formation in LSBs is not expected to proceed smoothly, but rather to be subject to local perturbations and density waves. colors.jpg Figure 4. Colour index (B-I) as a function of absolute disc magnitude for LSB galaxies (dots) and models (cyan curves). The models, which have a smoothly changing star formation history, lie on the blue edge of the data. A way to explain the discrepancy is to add small starbursts (dark curve) or truncations of the star formation history (arrow) to these simple models. Click on the figure to enlarge As mentioned earlier, there is a great variety of known disc LSBs and hitherto all of them were selected in the optical. Using the recently completed 2MASS near-infrared all-sky survey we defined the first large, homogenous sample of LSBs in this wavelength domain, and studied subsets of them in the 21 cm HI line at Nançay and Arecibo and with multi-colour optical CCD surface photometry. A first analysis of the data (cf PhD Thesis of D. Monnier Ragaigne), shows the rarity of red LSBs, the presence of objects with extremely high HI masses (more than 1010 solar masses) and a Tully-Fisher relation between absolute magnitude and rotation velocity similar to that of classical High Surface Brightness (HSB) spiral galaxies. This sample is also the first to cover the transition zone between LSB and HSB galaxies, as defined above in blue light.

References : "Chemical and spectrophometric evolution of Low Surface Brightness galaxies" Boissier, Monnier Ragaigne, Prantzos, van Driel, Balkowski, O’Neil, 2003, accepted for publication in MNRAS. (preprint:astro-ph/0304313) "A search for Low Surface Brightness galaxies in the near-infrared I. Description of the sample" Monnier Ragaigne, van Driel, Schneider, Jarrett, Balkowski, 2003, accepted for publication in A&A (preprint : astro-ph/0304380)

Wim van Driel (Observatoire de Paris, GEPI) Chantal Balkowski (Observatoire de Paris, GEPI) Delphine Monnier Ragaigne (Observatoire de Paris, GEPI) Samuel Boissier (Carnegie Observatories, Pasadena)

Dernière modification le 4 mars 2013

En raison de leur faible brillance de surface, toute une population de galaxies (bien nommées en anglais "Low Surface Brightness" ou LSB) est passée pratiquement inaperçue lors des premiers travaux extragalactiques. Au cours des dernières décennies, ces galaxies ont cependant reçu de plus en plus d’attention alors que plus d’observations les concernant étaient effectuées et qu’il était réalisé qu’elles pourraient jouer un rôle important dans les processus de formation et évolution des galaxies et dans l’évolution chimique de l’univers. Une équipe d’astronomes, animée par des chercheurs de l’Observatoire de Paris, vient d’étudier un ensemble conséquent d’objets LSB, sélectionnés à partir de la cartographie infra-rouge de tout le ciel, achevée récemment (2-MASS). Ils ont construit des modèles d’évolution de disques de galaxies, et montré que les particularités des LSB pouvaient le mieux s’expliquer par des halos de matière noire d’un moment angulaire spécifique plus grand que pour les galaxies spirales classiques. Les LSB "rouges" (relativement rares) doivent leur couleur à une histoire de formation d’étoiles intermittente.

Au cours des dernières décennies, on a découvert l’existence de galaxies avec des brillances de surface centrales bien plus faibles que la valeur classique dite "de Freeman", 21.65 mag / arcsec2 en lumière bleue (bande photométrique B), typique des galaxies spirales usuelles (cf Hubble Atlas). Au cours des dernières années, une quantité conséquente d’observations a été assemblée au sujet de ces "Galaxies à Faible Brillance de Surface" (LSB), alors qu’il a été réalisé du coté théorique qu’elles pourraient être cruciales pour la formation et l’évolution des galacties, pour l’évolution chimique "cosmique", et pour l’univers à grand redshift (notamment en raison de leur nombre relativement important). Les LSB identifiées jusqu’à aujourd’hui présentent une grande diversité, allant des naines-elliptiques à des spirales géantes. Bien que les galaxies LSB à disque soient très variées en taille, brillance de surface et magnitude absolue (figure 2), elles sont en pratique souvent sélectionnées selon un critère simple : une brillance de surface centrale dans le bleu plus faible que 22 mag /arcsec2. Nos modèles des propriétés et d´évolution des LSB ont été comparés à 5 échantillons de LSB couvrant cette diversité de propriétés concernant la brillance de surface centrale, la luminosité, la couleur ou le le rapport bulbe sur disque. Les images du "Digital Sky Survey" de six de ces objets (figure 1) illustrent la difficulté de les détecter en imagerie. Une des galaxies est une galaxie géante, une autre possède un bulbe proéminent et un disque de faible brillance de surface. Il est bon de garder en tête qu’il pourrait toujours exister des LSB non cataloguées, avec des propriétés extrêmes, au delà des limites actuelles de détection.

DSSlsbs.jpg Figure 1. Images bleues du "Digital Sky Survey" de 6 des galaxies LSB utilisées dans la comparaison avec les modèles d’évolution. La taille de chaque image est 5 x 5 minutes d’arc. Cliquer sur la figure pour l’agrandir

Figure 1. Images bleues du "Digital Sky Survey" de 6 des galaxies LSB utilisées dans la comparaison avec les modèles d’évolution. La taille de chaque image est 5 x 5 minutes d’arc. Cliquer sur la figure pour l’agrandir scalesprop.jpg Figure 2. Quelques propriétés des Galaxies à Faible Brillance de Surface (échelle de longueur et brillance centrale en fonction de la magnitude, dans la bande B). Les différents symboles indiquent différents échantillons de LSB, avec des propriétés différentes (naines, géantes, ...). Les symboles verts représentent les galaxies du présent échantillon LSB sélectionné dans l’infrarouge avec 2MASS. La courbe marquée par des étoiles indique la position dans ces diagrammes de modèles calculés pour des spirales usuelles. Les autres courbes sont des modèles de LSB avec des moments angulaires plus grands. Cliquer sur la figure pour l’agrandir Les prédictions de tels modèles sont en accord avec ce qui est observé dans une compilation de données concernant de nombreuses propriétés : échelle de longueur du disque, brillance de surface centrale, magnitude (figure 2), la relation entre la masse et la luminosité, le contenu gazeux, et les mesures de l’abondance d’oxygène dans les régions ionisées HII (figure 3). oxygen.jpg Figure 3. Abondance d’oxygène dans les régions HII de galaxies LSB (points). Les spirales classiques (HSB) présentent une claire relation entre magnitude et abondance (non montrée). Elle est moins claire dans les LSB car les observations ont été effectuées dans des régions HII à différents rayons galacto-centriques. Le grisé et les contours montrent les abondances attendues dans les modèles de LSB avec des moments angulaire élevés. Cliquer sur la figure pour l’agrandir Certaines LSB ont cependant des couleurs extrêmement rouges, contrairement à ce qui est prédit par les simples modèles à moment angulaire élevé, dans lesquels le taux de formation stellaire évolue sans à-coups au cours du temps. Une possibilité pour expliquer cette différence est de faire appel à des petits sursauts ou des troncations dans la formation stellaire qui affectent principalement les couleurs des galaxies (ce qui est illustré sur la figure 4). De tels événements sont plus attendus dans les LSB que dans les spirales HSB en raison des faibles densités qui les caractérisent. En effet, la densité de gaz dans les LSB est plus faible que le seuil pour la formation stellaire observé dans les spirales proches. Dans ces conditions, la formation stellaire dans les LSB ne se produirait pas de manière régulière, mais serait sujette aux perturbations locales et aux ondes de densité affectant le disque. colors.jpg Figure 4. Indice de couleur (B-I) en fonction de la magnitude absolue pour les LSB (points) et modèles (courbes cyan). Les modèles, avec une histoire de formation stellaire sans heurts, se trouvent sur le bord "bleu" des observations. Une manière d’expliquer cette différence est d’ajouter dans les modèles simples des petits sursauts (courbe noire) et des troncatures dans l’histoire de la formation stellaire (flèche). Cliquer sur la figure pour l’agrandir Comme mentionné plus haut, il existe une grande variété parmi les disques de LSB connus, sélectionnés dans le domaine optique. En utilisant la cartographie du ciel dans l’infra-rouge récemment achevée par l’équipe 2-MASS, le premier grand échantillon homogène de LSB a pu être construit, dans ce domaine de longueur d’onde. Différentes objets de cet échantillon ont été observés dans la raie 21 cm à Nançay et Arecibo, ainsi qu’en imagerie à plusieurs longueurs d’onde dans le domaine optique. Une première analyse de ces données (cf thèse de Delphine Monnier Ragaigne), montre la rareté des LSB rouges, la présence d’objets avec des masses HI extrêmement grandes (plus que 1010 masses solaires), et une relation Tully-Fisher entre la magnitude absolue et la vitesse de rotation similaire à celle des spirales (HSB) classiques. Cet échantillon est aussi le premier à couvrir la zone de transition entre les LSB et les HSB, selon leur définition en lumière bleue. ----
Références : "Chemical and spectrophometric evolution of Low Surface Brightness galaxies" Boissier, Monnier Ragaigne, Prantzos, van Driel, Balkowski, O’Neil, 2003, accepté pour publication dans MNRAS. (preprint:astro-ph/0304313) "A search for Low Surface Brightness galaxies in the near-infrared I. Description of the sample" Monnier Ragaigne, van Driel, Schneider, Jarrett, Balkowski, 2003, accepté pour publication dans A&A (preprint : astro-ph/0304380)

Wim van Driel (Observatoire de Paris, GEPI) Chantal Balkowski (Observatoire de Paris, GEPI) Delphine Monnier Ragaigne (Observatoire de Paris, GEPI) Samuel Boissier (Carnegie Observatories, Pasadena)

Dernière modification le 22 février 2013