Advanced

Fast Simulations of Star Cluster Evolution

Warntoft, Lina LU (2019) In Lund Observatory Examensarbeten ASTK02 20182
Lund Observatory
Abstract
The evolution of globular star clusters tells the history of the formation of galaxies, how stellar streams might have formed and how the future of the Universe might look like. Although the general theoretical background of the evolution is well understood, it is difficult to conduct accurate and realistic computer simulations of objects containing thousands of interacting bodies. This project introduces a new method tackling this issue, treating star clusters as point objects while they are losing stars as a result of tidal stripping. This is all conducted based on the concept of potential escapers. Combining the computational effectiveness of a simplified approximation of a star cluster with the accuracy of an N-body simulation, this... (More)
The evolution of globular star clusters tells the history of the formation of galaxies, how stellar streams might have formed and how the future of the Universe might look like. Although the general theoretical background of the evolution is well understood, it is difficult to conduct accurate and realistic computer simulations of objects containing thousands of interacting bodies. This project introduces a new method tackling this issue, treating star clusters as point objects while they are losing stars as a result of tidal stripping. This is all conducted based on the concept of potential escapers. Combining the computational effectiveness of a simplified approximation of a star cluster with the accuracy of an N-body simulation, this project introduces a new option for globular star cluster simulation.

The code written for this model allows to introduce any star cluster into any external potential. The star cluster is then described using five main coupled differential equations: number of stars, half mass radius, total energy, core radius and density profile, which, when integrated using a 4th order Runge-Kutta scheme, allows to model the full evolution of the cluster in less than a minute on a single computer. Tracer particles for potential escapers are implemented so that the tidal stripping works in constant as well as varying tidal fields. The results of this project show that the star loss over time is comparable to the ones conducted using much slower direct N-body simulations, e.g. the step-like loss of stars in elliptical tidal fields, while at the same time having a run-time of about a few minutes. Further development of this method might contribute to the understanding of stellar streams and build-up of stellar populations in galaxies. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Högt över och långt under den galaktiska disken av Vintergatan svävar gigantiska stjärnhopar som tros ha existerat sedan begynnelsen av galaxen. Astronomer är fram tills idag förbryllade över hur de hamnade där och hur de kommer att utvecklas över tid i sin bana kring galaxen. Något som forskare är säkra på är att den stjärntäta tunga disken hos Vintergatan drar i stjärnorna i de fjärran hoparna med sin gravitationskraft. Detta sker i den graden att de gamla stjärnorna från hoparna faktiskt lämnar stjärnhopen för att falla mot galaxen. Denna effekten existerar på grund av ett väldigt välbekant fenomen, som vi även ser här på jorden, nämligen tidvatteneffekten.

Så för att förstå hur stjärnhopar förlorar sina stjärnor under sin utveckling... (More)
Högt över och långt under den galaktiska disken av Vintergatan svävar gigantiska stjärnhopar som tros ha existerat sedan begynnelsen av galaxen. Astronomer är fram tills idag förbryllade över hur de hamnade där och hur de kommer att utvecklas över tid i sin bana kring galaxen. Något som forskare är säkra på är att den stjärntäta tunga disken hos Vintergatan drar i stjärnorna i de fjärran hoparna med sin gravitationskraft. Detta sker i den graden att de gamla stjärnorna från hoparna faktiskt lämnar stjärnhopen för att falla mot galaxen. Denna effekten existerar på grund av ett väldigt välbekant fenomen, som vi även ser här på jorden, nämligen tidvatteneffekten.

Så för att förstå hur stjärnhopar förlorar sina stjärnor under sin utveckling kan vi börja med att förstå hur tidvattenkrafter från vår måne påverkar våra hav i form av ebb och flod. Månen och jorden påverkar varandra konstant på grund av sina gravitationskrafter vilket resulterar i att de dras mot varandra. Eftersom jorden dras mot månen kommer allting som befinner sig på jorden att känna denna kraft (dock i olika grad med hänsyn till avståndet till månen) och om vi studerar större objekt (om jag får kalla hav ”objekt” för sakens skull) kommer vi kunna se effekten av denna kraften som en rörelse mot månen. Vattnet som befinner sig rakt under månen kommer känna en starkare dragningskraft av månen jämfört med jordskorpan och vattnet på motsida klotet. Eftersom havet är i flytande form kommer det att kunna stretchas ut pekandes mot månen medans havet på motsatt sida av jorden kommer att känna en mindre dragkraft än jordskorpan och bli utdragen åt motsatt håll då den blir eftersläntande jämfört med resten av planeten. Detta skapar i sig en (inte så synlig) sfäroid form, som en amerikansk fotboll, runt jorden där havet på var sin sida är utdraget i vad vi uppfattar som flod.

Tidvatteneffekten som resulterar från att stjärnhoparna befinner sig i närheten av en väldigt massiv galax får stjärnorna att agera likt haven av månen. Likt vattnet stretchas hoparna till sfäroider pekandes mot galaxens centrum där de närmaste stjärnorna känner en starkare kraft än stjärnorna på motsatt sida hopen. Tidvattenkrafterna på strjärnhoparna är oftast så starka att stjärnor i spetsarna av sfäroidformen kan fly från hopen och dras istället mot galaxen. Denna förlust av stjärnor är en viktig del av stjärnhopars evolution och leder forskare till att studera ett fenomen ljusår borta genom att känna igen egenskaperna av det här på jorden.

I mitt arbete tittar jag på de evolutionära effekterna från dessa tidsvattenkrafter på stjärnhopar genom att applicera den relativt enkla id ́en av ebb och flod, som vi ser på jorden, i en ny metod. Denna nya metod kommer att kunna hjälpa oss färstå lite mer av vad som döljer sig bakom de mystiska himlakropparna vars förflutna fortfarande förbryllar forskare långt långt bortom Vintergatans glans. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Warntoft, Lina LU
supervisor
organization
course
ASTK02 20182
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
star cluster simulation numerical method
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2019-EXA142
language
English
id
8971716
date added to LUP
2019-02-26 13:52:58
date last changed
2019-02-26 13:52:58
@misc{8971716,
  abstract     = {The evolution of globular star clusters tells the history of the formation of galaxies, how stellar streams might have formed and how the future of the Universe might look like. Although the general theoretical background of the evolution is well understood, it is difficult to conduct accurate and realistic computer simulations of objects containing thousands of interacting bodies. This project introduces a new method tackling this issue, treating star clusters as point objects while they are losing stars as a result of tidal stripping. This is all conducted based on the concept of potential escapers. Combining the computational effectiveness of a simplified approximation of a star cluster with the accuracy of an N-body simulation, this project introduces a new option for globular star cluster simulation.

The code written for this model allows to introduce any star cluster into any external potential. The star cluster is then described using five main coupled differential equations: number of stars, half mass radius, total energy, core radius and density profile, which, when integrated using a 4th order Runge-Kutta scheme, allows to model the full evolution of the cluster in less than a minute on a single computer. Tracer particles for potential escapers are implemented so that the tidal stripping works in constant as well as varying tidal fields. The results of this project show that the star loss over time is comparable to the ones conducted using much slower direct N-body simulations, e.g. the step-like loss of stars in elliptical tidal fields, while at the same time having a run-time of about a few minutes. Further development of this method might contribute to the understanding of stellar streams and build-up of stellar populations in galaxies.},
  author       = {Warntoft, Lina},
  keyword      = {star cluster simulation numerical method},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Fast Simulations of Star Cluster Evolution},
  year         = {2019},
}