Tidal Streams as a Probe of the Milky Way Assembly History

Abstract

The current Lambda Cold Dark Matter cosmology predicts galaxy growth by hierarchical merging, leading to galaxy substructure like tidal streams and dark matter subhalos devoid of stars. The goal of this thesis is to investigate whether tidal stream-subhalo interactions can leave observable gaps in the streams, and at which rate this might happen in a galaxy like the Milky Way. The stream-subhalo interactions are investigated by numerical modelling of a set of representative stream and subhalo orbits, and how often these get close enough to interact. The average flyby-rate in the distance range 20-100 kpc is found to be R = 0.148 (Gyr kpc)^-1 of stream length for subhalo masses between 10^6-10^9 Solar Masses, within the large error bars from observations of gaps in streams. Various impact parameters for a stream-subhalo encounter are modelled for a stream on an eccentric and inclined trajectory with 4000 particles. The subhalos are modelled as Plummer spheres with masses M = (10^7, 10^7.5, 10^8) Solar Masses and respective scale radii rs = (250, 395.3, 625) pc. It is found that the parameters that matter the most in damaging the stream are the mass of the subhalo, the relative flyby velocity and the distance of the flyby. It is also found that the angle of the impact matters less, as the angle are related to the relative velocities. Lastly, it is found that slow flybys with relative velocity less than 200 km/s, where the impulse approximation is not valid, happen often enough to merit more study, and also leave traces in the stream distinct from faster flybys. In conclusion, if subhalos exist and are as numerous as predicted from simulations, thin streams with width less than 1 kpc should encounter somewhere between 1-15 subhalos that can leave gaps in them.

Popular Abstract (Swedish)

Detta projekt syftar till att förstå vilka synliga effekter klumpar av mörk materia i Vintergatan kan ha på sönderslitna stjärnsystem, och om klumparna av mörk materia är tillräckligt många för att orsaka observerbara effekter. Vår nuvarande model av hur Universum utvecklades efter The Big Bang kallas för Lambda Cold Dark Matter-kosmologi, förkortat LambdaCDM. Lambda står för mörk energi, och delen om “Cold Dark Matter” syftar på att vi tror att det mesta av massan i Universum är mörk materia som är mycket kall. Att mörk materia är kall, alltså att den rör sig mycket långsamt jämfört med ljusets hastighet, är viktigt eftersom det berättar något om hur Vintergatan, och alla andra galaxer (och kluster av galaxer) som vi ser, har skapats. Om mörk materia hade varit varm (haft en snabb rörelse) så skulle det första som bildats efter The Big Bang varit galaxer och kluster av galaxer. Om mörk materia däremot är kall så bildas först små objekt, mycket mindre än dvärggalaxer, och de större galaxerna bildas då genom att dessa mindre delar kolliderar med varandra. Denna gradvisa uppbyggnad av galaxerna innebär att vi borde kunna se objekt kring Vintergatan som ännu inte slukats, och som är på väg att slukas, av Vintergatan. Detta är något vi också ser: Vintergatan har flera mindre galaxer som kretsar runt den, och vi ser att några av dessa är på väg att slitas sönder av Vintergatans gravitationsfält. Det senare kan ses i form av så kallade tidal streams (tidalströmmar), band av stjärnor som slitits loss från sitt ursprungliga hem och nu sträcker sig längs himlen, ibland till och med krökta runt Vintergatan.

Även datorsimuleringar stödjer denna hypotes om galaxernas uppkomst, och CDM-modellen anses vara mycket framgångsrik. Det finns dock ett problem: simuleringarna visar att antalet satelliter runt Vintergatan borde vara många fler än vad som observeras, speciellt för de satelliter som har en liten massa. Det har föreslagits olika lösningar på detta problem med den observerade bristen på satelliter, till exempel har det postulerats att mindre satelliter enbart består av mörk materia och är för små för att kunna fånga in gas och bilda stjärnor. Alltså är de mindre satelliterna faktiskt där, trots att vi inte kan se dem. Men mörk materia har gravitation, så om denna hypotes stämmer borde vi kunna se gravitationseffekterna som klumparna av mörk materia har på andra system som vi faktiskt kan se, t.ex. tidalströmmarna, och det är detta som projektet handlar om.

Jag har modellerat en samling klumpar av mörk materia och representanter för tidalströmmar som kretsar kring Vintergatan, för att se hur ofta de kommer i kontakt med varandra. Jag fann då att en typisk tidalström borde komma nära flera klumpar av mörk materia. Då skapade jag en model av en tidalström, och undersökte vad som händer när klumpar av mörk materia av olika massor träffar den, eller passerar den på kort avstånd. Det visar sig att klumpar av mörk materia gör hål i tidalströmmar, stora nog att kunna observeras, och att de tyngre klumparna skapar större hål. Slutsatsen är att en typisk tidalström borde ha haft flera kollisioner med klumpar av mörk materia, tunga nog att skapa hål eller mellanrum i strömmen. Vissa håligheter har faktiskt observerats i strömmar, vilket stödjer denna slutsats. Dock är osäkerheterna i observationerna fortfarande stora.

• author: Brun, Espen Kirkesæther
• supervisor: Melvyn B Davies
• organization: Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization; Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Astrophysics, Astronomy, Dynamics, Galactic, Tidal Streams, Stellar Streams, Dark Matter, Subhalos
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2016-EXA102
• language: English
• id: 8887808
• alternative location: https://www.dropbox.com/s/mwrzpdnrw2akd7b/Espen%20Brun%20Master%20Thesis.pdf?dl=0
• date added to LUP: 2016-08-12 16:37:13
• date last changed: 2016-08-12 16:37:13