Weighing the Milky Way - investigating the Galactic mass distribution with the outer-halo globular clusters and their tidal tails
Final Report Abstract
Das Ziel des Projektes war es, die Massenverteilung innerhalb der Milchstraße und insbesondere die Verteilung der dunklen Materie innerhalb des galaktischen Halos mithilfe von Gezeitenarmen von Kugelsternhaufen zu vermessen. Hierzu sollten verschiedene Beobachtungsdaten kombiniert und mithilfe von numerischen Simulationen modelliert werden. Ähnliche Untersuchungen fokussierten sich zuvor hauptsächlich auf die langen und diffusen Gezeitenarme der Zwerggalaxie Sagittarius. Kugelsternhaufen wie Palomar 5 hingegen hinterlassen kürzere, aber dafür auch dünnere und weniger diffuse Gezeitenarme während sie die Milchstraße im äußeren Halo umkreisen. Das Projekt sollte sich zunächst auf die Gezeitenarme des Sternhaufens Palomar 5 konzentrieren und dann Gezeitenarme von weiteren Kugelsternhaufen hinzunehmen. Durch das Modellieren mehrerer Gezeitenströme gleichzeitig sollte schließlich eine höhere Präzision erzielt werden als es für einzelne Sternhaufen- oder Zwerggalaxienströme möglich war. Zur schnellen Modellierung sollte eine neuentwickelte Methode zur effizienten Generierung von Gezeitenarmen benutzt werden (Streakline-Methode; Küpper, Lane, & Heggie, 2012). Diese sollte mithilfe eines genetischen Algorithmus den erlaubten Parameterraum der Modelle durchlaufen und so den besten Fit für den jeweiligen Gezeitenstrom ermitteln. Verschiedene Ströme mit unterschiedlichen Entfernungen vom galaktischen Zentrum sollten dabei helfen, das Massenprofil der Milchstraße global zu vermessen. Gleich zu Beginn des Projektes stellten wir fest, dass sich Markov Chain Monte Carlo (MCMC) Algorithmen besser für unsere Zwecke eignen. Die Posterior-Verteilungen der Modellparameter eines MCMC-Runs lassen sich als Erwartungswerte und deren Wahrscheinlichkeiten interpretieren. Insofern sind sie genetischen Algorithmen überlegen, da diese ausschließlich nach einem besten Fit des Modells an die Daten suchen. Die Kombination aus MCMC-Algorithmus und Streakline-Modellierung testeten wir an zwei Fällen: an Gezeitenströmen, die in einer kosmologischen Simulation eines Dunkel-Materie-Halos erzeugt wurden und an Beobachtungsdaten des Kugelsternhaufens Palomar 5 und seiner Gezeitenarme. Zunächst generierten wir Gezeitenströme in der Via Lactea 2 Simulation (Diemand et al., 2008), welche die kosmologische Entwicklung eines dunkle Materie Halos verfolgt der ungefähr der viriellen Masse der Milchstraße entspricht. Die Gezeitenströme dieser Simulation modellierten wir mithilfe unserer Methode und verglichen die Erwartungswerte der Modellparameter und deren statistische Unsicherheiten mit den wahren Eigenschaften des Halos. Dabei stellten wir fest, dass einige Gezeitenarme große systematische Abweichungen produzierten, insbesondere die Ströme deren Orbits tief in den Galaktischen Halo eindringen. Wir schlussfolgerten, dass wir die Ergebnisse mehrerer Ströme kombinieren müssen und vorzugsweise Gezeitenströme mit großer Entfernung zum Galaktischen Zentrum benutzen sollten. Als erste Anwendung der Methode auf Beobachtungsdaten verwendeten wir den ca. 23 Grad langen Gezeitenstrom des Kugelsternhaufens Palomar 5. Dieser umkreist die Milchstraße in einer Entfernung von bis zu 19 kpc und eignet sich bestens um den Dunkle-Materie-Halo innerhalb dieses Radius zu vermessen. Unsere Modellierung ergab eine eingeschloßene Masse von (2.1 ± 0.4) × 1011 M . Zudem fanden wir, dass die Daten einen nahezu spährischen Halo bevorzugen. Unsere Ergebnisse sind sehr vielversprechend und lassen hoffen, dass wir durch das Modellieren weiterer Ströme und durch das Kombinieren der Modellierungen mehrerer Ströme gleichzeitig ein vollständiges und akkurates Bild des Dunkle-Materie-Halos der Milchstraße erlangen können. Das DFG Forschungsstipendium war für das Erreichen dieser wegweisenden wissenschaftlichen Resultate maßgebend, da es Dr. Küpper erlaubte, neue Expertise zu erlangen und in Zusammenarbeit mit führenden Forschern auf dem Gebiet die innovativen Methoden zu entwickeln.
Publications
- Mass segregation in the diffuse outer-halo globular cluster Pal 14. Memorie della Societa Astronomica Italiana, 84, 212
Frank, M. J., Grebel, E. K., Küpper, A. H. W.
- Milky Way mass and potential recovery using tidal streams in a realistic halo. The Astrophysical Journal, 2014, 795, 94
Bonaca, A., Geha, M., Küpper, A. H. W., Diemand, J., Johnston, K. V., Hogg, D. W.
(See online at https://doi.org/10.1088/0004-637X/795/1/94) - Globular cluster streams as galactic high-precision scales: The poster child Pal 5. The Astrophysical Journal, 2015, 803, 80
Küpper, A. H. W., Balbinot, E., Bonaca, A., Johnston, K. V., Hogg, D. W., Kroupa, P., Santiago, B. X.
(See online at https://doi.org/10.1088/0004-637X/803/2/80)
