The formation of a Bootes III-like tidal stream

Abstract

Stellar streams are probes of the properties of their host potentials, giving clues about the host's shape, mass and substructure. There are several observed stellar streams both around the Milky Way and around external galaxies, and they are studied thoroughly. However, the impact of (i) the properties of the progenitor cluster or dwarf galaxy that form the streams, of (ii) the streams' orbits, and of (iii) the properties of the host potential on the streams' shapes has not been studied in detail yet. This is the goal of this thesis to explore.

A total of 9 simulations were run including a fiducial model. The mass, the radius, and the velocity of the progenitor dwarf were varied, as well as the mass of the host potential's dark matter halo. The orbit of the progenitor was based on the current position and velocity of the potentially disrupting dwarf galaxy Bootes III (Boo III). The velocity of the progenitor was altered within the uncertainties of Boo III's measured radial velocity, $v_r = 197.5 \pm 3.8 \,$km$\,$s$^{-1}$. Another dwarf spheroidal galaxy named Leo T was used as a model for the progenitor dwarf galaxy. The mass and radius of the progenitor were based on the measured dynamical mass ($M_{dyn} = 9^{+4}_{-3} \cdot 10^{6}\,$M$_\odot$) and half-light radius ($r_h = 153 \pm 16 \,$pc) of Leo T. For the host's dark matter halo, its fiducial mass was $M_{vir} = 0.8 \cdot 10^{12}\,$M$_\odot$. In the other models, the dark matter halo mass was two times and six times more massive. For all models except the varying dark matter halo models, the streams' lengths, widths and particle distributions along the streams were estimated. They were also loosely compared to observed streams around external galaxies.

More massive, compact or faster stream progenitors produce longer streams, whereas less massive, diffuse or slower stream progenitors produce shorter streams. Differences could be seen between the widths and particle distributions along the different progenitor streams. However, these differences could not be confirmed statistically. No clear variations could be found between the same quantities for the velocity models, which was confirmed by the statistics. A heavier host dark matter halo generated a tighter orbit with shorter orbital periods than the less massive dark matter halos. The produced streams can be compared to observations around external galaxies, as some of the observed streams have similar shapes as the simulated streams. From these results, the conclusion is that the orbit and how fast the progenitor dwarf galaxy starts getting stripped of matter has the largest effect on the stream shapes. However, more models with larger variations must be simulated to confirm these findings.

Popular Abstract (Swedish)

Stjärnströmmar är strömmar av stjärnor som har blivit ryckta ur antingen klotformiga stjärnhopar eller dvärggalaxer, som är i omloppsbana rund mer massiva galaxer. Forskare har hittat dessa stjärnströmmar runt vår galax Vintergatan. Exempelvis Sagittarius strömmen, som formas från dvärggalaxen Sagittarius, och Palomar 5 strömmen, som bildas av en klotformig stjärnhop. Strömmarna har också observerats runt externa galaxer (andra galaxer än Vintergatan). Men, de är mycket svårare att observera för att de är väldigt ljussvaga. Stjärnströmmar bildas på grund av den gravitationella samverkan mellan huvudgalaxen och dvärggalaxen/stjärnhopen, vilket betyder att dessa kan användas för att mäta olika egenskaper hos huvudgalaxen, som dess massa, dess form och om den har eventuella finstrukturer (exempelvis spiralarmar eller andra dvärggalaxer). Detta gör dem extra intressanta att undersöka, speciellt med tanke på att man också kan lära sig mer om huvudgalaxens mörk materia halo. Mörk materia är en typ av materia som inte syns med hjälp av ljus, därav dess namn. Däremot interagerar det med synlig materia genom gravitation. Halos av mörk materia tros innesluta galaxer i Universum, inklusive Vintergatan. Detta betyder att mörk materia också påverkar formationen av stjärnströmmar.

De långa avstånden i rymden gör att ljus tar väldigt lång tid på sig att nå oss på Jorden efter att det har lämnat sin källa (exempelvis stjärnor). Dessa avstånd betyder också att alla samspel mellan objekt i rymden tar en väldigt lång tid. Mycket längre än en människas livstid. Därför kan inga samspel i rymden observeras från början till. I stället ser vi specifika ögonblick i samspelen. För att överkomma detta hinder, så skapar astronomer modeller av olika miljöer i rymden och modeller för hur olika fysiska processer fungerar i olika interaktioner för att bättre förstå de olika systemen. Dessa modeller kallas för simuleringar. De gör det möjligt för forskare att skynda på olika samspel för att bättre förstå hur hela förloppet fungerar. Det är ett sätt för astronomer att experimentera med olika interaktioner i rymden utan att behöva vänta miljarder år för att observera dem. Efteråt så är simuleringarna jämförda med observationer av ögonblick från olika samspel för att se hur realistiska modellerna är och vad man kan förbättra.

Den här typen av simuleringar är gjorda i det här masterprojektet för att skapa stjärnströmmar och för att undersöka hur egenskaper hos en dvärggalax, dvärggalaxens omloppsbana runt en galax lik Vintergatan, och egenskaper hos en mörk materia halo runt en galax lik Vintergatan påverkar formen på de bildade stjärnströmmarna. Detta har gjorts genom att skapa en modell av en sfärisk dvärggalax där all materia representeras av olika punkter med tillhörande positioner, hastigheter och massa (så-kallade simuleringspartiklar), och få galaxen att röra sig i omloppsbana runt en modell av Vintergatan. Sen varierades massan, volymen och hastigheten av dvärggalaxen, och massan av mörk materia halon runt Vintergatans modell. Längderna, bredderna och partikelfördelningen (hur många simuleringspartiklar som finns i olika delar av stjärnströmmen) beräknades av alla simulerade stjärnströmmar. Resultaten visade att tyngre, mer kompakta eller snabbare dvärggalaxer bildar längre stjärnströmmar och att lättare, mer diffusa eller långsammare dvärggalaxer bildar kortare stjärnströmmar. Inga betydande skillnader hittades mellan bredderna och partikelfördelningarna mellan en så liten samling av modeller. Däremot verkar det som om dvärggalaxernas omloppsbana och hur snabbt som stjärnor börjar ryckas ur dvärggalaxerna genererar störst skillnad på stjärnströmmarnas former.Vissa av simuleringarna visar också liknande utseenden som stjärnströmmar som har observerats runt externa galaxer.

• author: Sandved, Emelie
• supervisor: David Hobbs; Santi Roca Fàbrega
• organization: Astrophysics; Department of Physics
• course: ASTM32 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Tidal streams, stellar streams, Bootes III, Leo T, dwarf spheroidal galaxies, dark matter, Milky Way, N-body simulations, PETAR, McLuster, Galpy
• report number: 2024-EXA235
• language: English
• id: 9170513
• date added to LUP: 2024-11-05 08:26:48
• date last changed: 2024-11-05 08:26:48