Observing stellar streams made in a supercomputer

Abstract

Stellar streams are made of stars that originate from globular clusters or dwarf satellite galaxies that have been disturbed by the gravitational pull from the galaxy they orbit. These stellar streams hold information about the history of the progenitor as well as information about the gravitational potential of the host galaxy. In this thesis we make use of the high resolution cosmological zoom simulation VINTERGATAN, to detect and study stellar streams. Different approaches are used for the detections of stellar streams. The first method that we use is similar to what is done observationally. This includes looking at metallicity, velocity, energy, and angular momentum. In the second method used we trace back in time the particles belonging to the progenitor before its infall towards the final host galaxy. This method has a much higher accuracy and allows for deeper analysis of the stream's properties. It also allows us to evaluate the performance of the first detection method and identify eventual misinterpretation that may arise using these methods.

In this work we find that many of the larger satellites do have associated streams, but for the smaller clusters and satellites there are still many that lack any visible tidal tails. Here we detect and analyse four streams in depth: all show different characteristics such as star formation histories, metallicity, and masses. We find a diversity in age and metallicity in the stellar populations of the stream and progenitor, but one structure alone (stream or progenitor) is not always representative of the full population. The results from this work illustrate the diversity of stellar populations in streams as well as their progenitors, and the complexity of inferring the formation history of our Milky Way and its satellites from the observations of these structures.

Popular Abstract (Swedish)

Massan i vår galax Vintergatan, består av en idag stor del okänd massa som kallas mörk materia. Den mörka materian motsvarar ungefär 80\% av den totala massan i vår galax. Att ta reda på naturen till denna mörka materia är idag ett hett forskningsområde i både astrofysik och partikelfysik. Trots årtionden av experiment med mål att hitta dessa partiklar som denna massa består av har vi än idag gått utan resultat. Dagens bevis för mörk materia har sitt ursprung inom astronomiska observationer där vi ser dess effekt från gravitationen som påverkar all massa i galaxen. Om vi skulle veta hur denna mörka materia är distribuerad inom vår galax, så skulle detta ge värdefull information om den mörka materians natur. För att studera hur den mörka materian är distribuerad inom galaxen måste vi ha något objekt för att undersöka galaxens halo och utkanter där denna massa dominerar. I galaxens halo finns det få stjärnor och strukturer vilket gör sökandet efter denna massa svår, men på senare år har antalet observerade stjärnströmmar i Vintergatan ökat kraftigt med nya observationer som tränger djupare i galaxen. Dessa stjärnströmmar kan innehålla information om hur denna mörka materia är distribuerad.

Stjärnorna i dessa stjärnströmmar har sitt ursprung från stjärnhopar eller mindre dvärggalaxer. Dessa stjärnhopar befinner sig utspritt i den galaktiska halon och är bundna till Vintergatan via dess gravitation. När gravitationen från Vintergatan drar i dessa stjärnhopar kan stjärnor lämna stjärnhopen och bli fri från dess gravitation. Detta kan liknas med hur månens gravitationskraft drar i jorden och vi ser dess effekter på havet, det vi kallar tidvatten. Med tiden kan fler och fler stjärnor lämna stjärnhopen och bilda något vi kallar för en stjärnström som har sitt ursprung från en enda stjärnhop. Genom att studera dessa stjärnströmmar kan gravitationsfältet i Vintergatan kartläggas utmed dessa stjärnströmmar. Avvikelser i stjärnströmmen kan indikera störningar i den globala gravitationspotentialen. Dessa störningar kan då bero på substrukturer av mörk materia i galaxen. Ett av problemen med stjärnströmmar idag är att de är svåra att detektera då de befinner sig långt bort från den galaktiska ljusstarka disken.

I detta arbete använder vi oss av en kosmologisk simulering för att detektera och undersöka dessa stjärnströmmar. Simuleringen är av skapandet av en galax som liknar Vintergatan i storlek, massa, samt flera andra liknande egenskaper. Från data skapad i denna simulering kommer stjärnströmmar först att detekteras med hjälp av olika metoder. I detta arbete kommer vi jämföra de stjärnströmmar som detekterats via dessa metoder. Stjärnströmmarnas egenskaper kommer analyseras ihop med dess ursprungliga stjärnhop eller dvärggalax. Målet med arbetet är att se hur vi kan detektera dessa stjärnströmmar samt finna problem som kan skapas vid detektioner av dessa stjärnströmmar. Problemen kan till exempel härstamma från egenskaperna hos dess stjärnpopulation samt skillnader mellan stjärnpopulationer inom samma struktur.

• author: Fridén, Erik
• supervisor: Florent Renaud
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTK02 20211
• year: 2021
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2021-EXA182
• language: English
• id: 9054875
• date added to LUP: 2021-06-16 12:34:51
• date last changed: 2022-07-05 15:02:21