N-body Simulations in Galactic Potentials

Abstract

What effect does a collision between two clusters have on their dissolving time?

In order to answer this question, a new type of N-body simulation using a double integration of a cluster was built. Instead of introducing a perturbation representing the gravitational force of the Milky Way into a local simulation of the cluster, the cluster orbit was integrated in the potential of the Milky Way, and in each of these integration steps the local motion of the stars inside the cluster were integrated, using an N-body calculation. The goal of this new type of integrator was to create a more versatile and intuitive simulation, where no perturbation calculation was needed before initiating a cluster. The simulation as a whole was tested using different resolutions and relative tolerances, and both the N-body calculation and potential integration were tested separately as well as in conjunction.

As a test subject, the Hyades open cluster was investigated in this project. The number of stars within the tidal radius of the cluster as a function of time was calculated, and the effect of cluster collisions on the decay rate was investigated. The results are also highly indicative of that the star HD31236 is not an actual member of the Hyades, though this needs further testing, taking the formal errors of the initial conditions into account.

Popular Abstract (Swedish)

För att förstå vårt ursprung och vår plats i universum, måste vi först lära oss om vår historia. Detta är en utmaning i många fält inom vetenskapen, och det finns ett antal olika tillvägagångssätt; geologer analyserar sedimentlager för att få förstå vår planets utveckling, biologer tittar på små skillnader i flora och fauna för att förstå utvecklingen av arter, och paleontologer undersöker fossil från länge utdöda arter för att kunna göra detsamma. Den gemensamma nämnaren i dessa tre fallen är att tidsskalorna för dessa processer långt överskrider tidsskalan för mänsklig historia, så istället för att observera t.ex en art under hela vår jords historia, så tittar vi på liknande arter från olika tidsåldrar, och gör antagandet att den ena utvecklades från den andra. Det påminner mycket om att lösa ett vetenskapligt pussel, där varje pusselbit respresenterar en art från en viss tidsålder.

På samma sätt jobbar astronomer och astrofysiker för att förstå vår galax Vintergatans utveckling, men eftersom tidsskalorna är ännu större än de för vår jord så måste ännu mer information till innan vi kan skapa teorier om hur den utvecklats. Detta är problematiskt, eftersom observationsutrustning som t.ex teleskop är dyra, för att inte tala om en teknisk utmaning. Men med den senaste utvecklingen inom beräkningskraft har astronomer och astrofysiker fått ett nytt verktyg som hjälper till att hålla kostnader nere och öka vår förståelse för vår omgivning; simulationer!

Eftersom de fysiska lagar som styr vår galax och hur saker rör sig i rymden har varit kända sen Newtons dagar (med några senare modifikationer and tillägg, främst från Einstein), så har vi kunnat räkna ut planeters och stjärnors banor i århundraden. Den stora skillnaden har kommit de senaste årtiondena, i form av den exponentiellt ökande beräkningskraften hos datorer. Detta gör att vi kan utföra mer och mer avancerade uträkningar, och en av dessa är så kallade N-body-simuleringar (av engelskans $N ~bodies$, $N$ kroppar). Dessa simuleringar beräknar hur inte bara två objekt, utan många hundratals objekt interagerar med varandra gravitationsmässigt, och ger oss möjligheten att utforska olika scenarion bara genom att bestämma var dessa objekt är just nu, och hur de rör sig.

Stjärnor i vår galax samlar ofta ihop sig eller skapas i grupper av upp till tusentals, som kallas stjärnhopar. Dessa stjärnhopar är bundna till varandra genom gravitation, och kretsar kring varandra, såväl som runt Vintergatans mitt. För att förstå hur dessa stjärnhopar blivit till, hur de rör sig och hur de en dag kommer lösas upp, behöver vi förstå både hur stjärnorna inuti hopen rör sig, men också hur de rör sig i den stora Vintergatan. Det är här N-body-simuleringar kommer in; genom att beräkna hur stjärnorna dras till varandra genom gravitationen, kan vi undersöka hur stjärnhopar rör sig och faller isär, och genom att simulera bakåt i tiden kan vi förstå hur de en gång skapades.

Allt eftersom beräkningskraften ökar kan vi simulera fler och fler interaktioner mellan individuella stjärnor i dessa hopar. Dessa N-body-simuleringar ger en mer och mer sanningsenlig respresentation av vad som egentligen händer i en stjärnhop; en "bättre upplöst bild", eftersom dessa stjärnor kommer att interagera med varandra. Detta ger oss en stor och viktig pusselbit i pusslet som vi kallar Vintergatans utveckling.

• author: Andersson, David
• supervisor: David Hobbs
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTK02 20182
• year: 2019
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: N-body, simulation, spen clusters, dissolving time, Hyades, members of the Hyades, double integration
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2019-EXA140
• language: English
• id: 8971794
• date added to LUP: 2019-02-26 13:52:16
• date last changed: 2019-02-26 13:52:16