Dwerggalaxieën


Binnen de Gentse sterrenkundegroep wordt zowel theoretisch als observationeel onderzoek uitgevoerd naar de vorming en evolutie van dwerggalaxieën. Door dwerggalaxieën te bestuderen, kunnen we gedetailleerde informatie verwerven over de fysische processen die de evolutie van sterrenstelsels aandrijven, zoals stervorming, supernova-explosies, galaxieversmeltingen, enz. zodat we onze beschrijving van deze complexe fenomenen verder kunnen verbeteren. Het is duidelijk dat de wisselwerking tussen theorie en observatie hierin uiterst belangrijk is. De onderstaande thesissen sluiten nauw aan bij het in onze onderzoeksgroep uitgevoerde onderzoek en laten je toe om er een originele bijdrage aan te leveren. Dit is onderzoekswerk dat, indien goed uitgevoerd, tot een wetenschappelijke publicatie kan leiden.

  1. De vorming van dwerggalaxieën met een nucleaire stercluster

    De N-body/SPH-simulaties die door de onderzoeksgroep dwerggalaxieën worden uitgevoerd, geven een zeer natuurgetrouwe weergave van de vorming en evolutie van deze kleine sterrenstelsels. De eigenschappen van de gesimuleerde dwergen komen buitengewoon goed overeen met die van waargenomen dwergen. Op één detail na dan: terwijl de meerderheid van de waargenomen elliptische dwergen een centraal gelegen stercluster huisvest die tot wel 10% van de totale massa van het sterrenstelsel bevat, is deze compleet afwezig in de gesimuleerde dwergen. Het al dan niet bezitten van zo'n nucleaire stercluster heeft een gigantische invloed op de gast-dwerggalaxie. Een "nucleated dwarf" blijkt veel robuuster dan een "non-nucleated dwarf". Nucleated dwarfs worden aangetroffen in het dichtbevolkte hart van galaxieclusters terwijl hun non-nucleated soortgenoten daar totaal afwezig zijn. Waarschijnlijk zijn de ijlere non-nucleated dwergen door galaxie-interacties uit elkaar getrokken, in tegenstelling tot de compactere nucleated dwergen. Hiernaast zie je trouwens een met de Hubble-ruimtetelescoop genomen foto van een nucleated dwarf uit onze studie van de Perseuscluster. De kern is de zwarte stip in het midden van het dwergstelsel.

    Dit is trouwens een algemeen probleem: geen enkele onderzoeksgroep is er tot nog toe in geslaagd dergelijke nucleated dwarfs te vormen behalve in zeer getunede en artificiële simulaties. Op basis van deze pogingen zijn wel een aantal theorieën voor de vorming van nucleaire sterclusters voorop gesteld. Één van de meest veelbelovende is de idee dat bolhopen door dynamische frictie naar het centrum van de dwerg spiraleren en daar samen de galaxiekern vormen. Dat idee lijkt te werken in zeer geïdealiseerde simulaties maar of het ook in een realistische kosmologische setting werkt, is nog niet onderzocht.

    Het is de bedoeling om bolhopen in onze realistisch evoluerende gesimuleerde dwerggalaxieën te injecteren en te onderzoeken of deze inderdaad naar het galaxiecentrum migreren om een galaxiekern te vormen, ondanks de vele mergers en starbursts die de onrustige jeugd van een dwerg kenmerken. Dat vergt eerst enige literatuurstudie over de bolhooppopulaties van dwerggalaxieën en over galaxie-evolutie in het algemeen. Daarna werk je je in in onze simulatiecode en ga je zelf aan de slag om bolhoop-deeltjes in de computercode te implementeren. En dan zien we wat er gebeurt ... Wordt een realistische galaxiekern gevormd? Binnen welk tijdsbestek? Heeft de kern realistische eigenschappen?

  2. Donkere-materieverval en -annihilatie in gesimuleerde dwerggalaxieën

    De overeenkomst tussen ΛCDM, de huidige "standaardtheorie" voor structuurvorming in ons expanderend Universum, en de waarnemingen is ronduit fantastisch. De meeste sterrenkundigen zijn dan ook zeer blij met deze succesvolle theorie. Er is maar één klein probleempje: zonder donkere materie werkt de theorie niet. Dit broodnodige ingrediënt zit al in de naam van de theorie ingebakken (CDM=Cold Dark Matter). Jammer genoeg is donkere materie nog nooit direct waargenomen, noch via astronomische observaties noch in aardse versnellers zoals de LHC van Cern. Zo blijft de ΛCDM-theorie, ondanks zijn weergaloos succes, een reus op lemen voeten.

    Reeds enkele jaren worden gammastraaltelescopen, zoals de MAGIC Cherenkov telescopen en de Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), ingezet om dwerggalaxieën in de buurt van de Melkweg waar te nemen. Het doel is de gammastraalflux te detecteren die zou kunnen afkomstig zijn van het verval of de zelfannihilatie van donkere-materiedeeltjes in de donkere-materiehalo's van deze dwergstelsels. Deze dwerggalaxieën zijn hiervoor uitermate geschikt omdat ze (op astronomische schaal) dichtbij staan en vrij zijn van andere gammastraalbronnen.

    Bij de analyse van deze gegevens of bij het voorspellen van de verwachte gammaflux worden steeds zeer eenvoudige modellen voor de donkere-materieverdeling binnen de waargenomen dwerggalaxieën voorop gesteld (doorgaans sferische dichtheidsverdelingen met een handige wiskundige vorm). In gesimuleerde dwerggalaxieën ziet de donkere-materieverdeling er veel chaotischer uit: absoluut niet sferisch en vol met substructuren die een gevolg zijn van de vormingsgeschiedenis van de dwerg in kwestie. Hoe dit het donkere-materiesignaal beïnvloedt, is nog niet onderzocht geweest.

    Het doel van deze thesis is reeds uitgevoerde simulaties te combineren met nieuwe simulaties van dwerggalaxieën met verschillende massa's en vormingsgeschiedenissen om zo een representatief staal van gesimuleerde dwergen op te stellen. Van dit staal dwergen zal je de gammaflux berekenen voor vervallende of annihilerende donkere materie en deze met de waarnemingen vergelijken. Je zal onderzoeken hoe de eigenschappen van de donkere-materieverdeling (de aan- of afwezigheid van een centrale piek in de donkere-materiedichtheid, substructuur, enz.) de gammaflux beïnvloeden.

  3. Het interstellair gas in numerieke simulaties

    Realistische computersimulaties van galaxie-evolutie zijn enkel mogelijk als de fysische eigenschappen van het interstellaire gas correct berekend worden. Van ongelooflijk groot belang zijn vooral de koelings- en verhittingseigenschappen van het gas. Gas koelt door straling waardoor het onder zijn eigen zwaartekracht kan inzakken tot stervormende wolken. Massieve sterren eindigen hun leven in supernova-explosies die het omringende gas verhitten en wegblazen wat verdere stervorming bemoeilijkt. Deze continue wisselwerking tussen gas en sterren speelt dan ook een cruciale rol in het leven van een sterrenstelsel en moet daarom zeer goed gekend zijn. Cloudy is een computerprogramma waarmee het koelings- en verhittingstempo van interstellair gas kan berekend worden in functie van de temperatuur, dichtheid en samenstelling van het gas en van de sterkte van de kosmische microgolfachtergrondstraling en de kosmische ultravioletachtergrond. Het kan ook de sterkte van individuele emissielijnen berekenen.

    Het doel van deze thesis is eerst en vooral Cloudy te gebruiken om de helderheid van enkele belangrijke emissielijnen te berekenen en te tabuleren. Bovenaan de wishlist van te berekenen emissielijnen staat die van C II bij een golflengte van 157 micron. Dit is de voornaamste bron van koeling in koud gas op weg naar stervorming. Ze is ook over gigantische kosmische afstanden waarneembaar met de allernieuwste instrumentele technologie, bvb. met de ALMA microgolfarray van ESO in Chili. In bijgaande figuur zie je de met ALMA waargenomen [CII]-emissie van een piepjonge galaxie op een roodverschuiving z=5.3. Het licht dat we nu van dit sterrenstelsel waarnemen, werd uitgestraald toen het heelal amper 1 miljard jaar oud was.

    Observationeel werd vastgesteld dat de helderheid van een galaxie in het licht van deze emissielijn een goede maat is voor het stervormingstempo van die galaxie. Vraag is nu of onze dwerggalaxiesimulaties die waargenomen relatie tussen [CII]-helderheid en stervormingstempo reproduceren. Dat is een cruciale test van het gasfysicamodel dat in de simulaties wordt gebruikt. Bovendien kan je op deze manier onderzoeken waar in het interstellair medium van de gesimuleerde galaxieëen de [CII]-emissie bij 157 micron precies ontstaat om zo de fysische gronden van de waargenomen relatie te achterhalen.


Deze projecten omvatten origineel onderzoekswerk dat, indien goed uitgevoerd, tot een wetenschappelijke publicatie kan leiden.