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Separating multiple populations and binaries in globular clusters
Laura Posch
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomie
Betreuer*in
Prashin Jethwa
DOI
10.25365/thesis.66199
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11485.72718.303864-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Masterarbeit basiert auf dem Forschungsgebiet der Kugelsternhaufen, die sich nicht nur aus den ältesten Sternen in unserer Galaxie zusammensetzen, sondern auch ein Phänomen aufweisen, das als multiple Sternpopulationen (MSPs) bezeichnet wird. Diese MSPs weisen Unterschiede in der Häufigkeit von leichten Elementen wie unter anderem N, Na, He, C und O in der Sternatmosphäre auf. MSPs werden meist photometrisch beobachtet, wo die Schwankungen der Elementhäufigkeiten in Farb-Helligkeitsdiagrammen die Hauptreihe der Sternpopulation sichtbar in zwei oder mehr Spalten (blauer und röter) teilen. Zusätzlich fügen Doppelsterne (zwei unaufgelöste Sterne, die als ein heller Stern erscheinen) ein weiteres Level an Komplexität hinzu, da sie photometrisch nicht eindeutig erkennbar sind und so Abschätzungen der Masse, Helligkeit und des Energiehaushalts beeinflussen. Die korrekte Einschätzung von Doppelsternen ist jedoch von großem Interesse, da ihre Charakteristiken Aufschluss über die Bildungsmechanismen und -umgebungen von MSPs geben können. Tatsächlich wird die Entstehung von Kugelsternhaufen und MSPs noch nicht verstanden und ist seit Jahren ein viel diskutiertes Thema.
Daher untersuche ich in dieser Arbeit den Einfluss von Doppelsternen auf die photometri-sche Detektion von MSPs und inwiefern es möglich ist, Doppelsterne vom Rest der Population zu trennen. Dazu werden observierte Farb-Helligkeitsdiagramme mithilfe von "simple stellar populations" (SSPs) nachgeahmt. Folgend werden in der Analyse diverse Parameter der Kugelsternhaufen, die in die Diagramme eingehen (Anteil der Binärsterne, Verhältnis der Populationen zueinander, Ausmaß der Variation in Elementhäufigkeiten und Anzahl der be-obachteten Sterne), variiert und nach Abhängigkeiten untersucht. Ich habe mehrere Algorithmen für die Analyse erstellt, die einerseits den Nachweis von MSPs und weiters deren Populationsverhältnisse untersuchen. Es werden Gaußsches Mischverteilungsmodelle (Gaussian Mixture Model, GMM) an die Farbverteilung gefittet und eine Metrik für die Ausprägung der bimodalen Verteilung eingeführt. Außerdem werden die tatsächlichen Subverteilungen mit den Gaußschen Wahrscheinlichkeitsverteilungen verglichen, um eine Übereinstimmung mit einzelnen Komponenten zu überprüfen.
Es wird festgestellt, dass der Anteil der Doppelsterne insofern einen großen Einfluss auf die Detektion von MSPs hat, als mit wachsender Anzahl weniger MSPs erkannt werden, da sie den Spalt zwischen den Hauptreihen teilweise füllen. Außerdem wird ermittelt, dass ein moderates Ausmaß an Binärsternen wenig Einfluss auf die Abschätzung des Populationsverhältnisses hat, das die Methode mit GMMs in dieser Ausführung nicht sensibel genug auf deren Anteil reagiert. Für Diagramme mit großem blauen Anteil der Sterne und deren Doppelsterne ist der Code nicht anspruchsvoll genug und es entstehen unzuverlässige Abschätzungen. Verglichen mit Beobachtungsdaten, ermöglichen 700 Sterne pro Kugelsternhaufen und einem Gesamt-Doppelsternanteil von bis zu 15%, eine zuverlässige MSPs Detektionsrate und eine gute Abschätzung von Populationsverhältnissen. Abschließend wird gefunden, dass der Abstand zwischen Binärsternen und ihrer Mutterpopulation im Farb-Diagramm stabil ist und so der GMM Fit mit "a priori Annahmen" erstellt werden kann, was möglicherweise eine Selektion von Doppelsternen ermöglicht.
Abstract
(Englisch)
This Master thesis is based in the research field of globular clusters (GCs) which host not only the oldest stellar populations in our galaxy but also a phenomenon called multiple stellar populations (MSPs). More specific these are star-to-star variations in light element abundances like N, Na, He, C and O among others. MSPs are mostly observed photometrically because it enables a large spatial coverage and their detection is possible in colour-magnitude diagrams (CMDs). In theses diagrams the stellar abundance variations are visible as a split in the main sequence (MS) of the populations. The incidence of binary stars in MSPs biases the estimation of population and binary fractions in clusters because they are partially among the single population stars in CMDs. They are therefore often not recognised as binaries. However, the numbers and characteristics of binary stars are of great interest as they can shed light on the formation mechanisms and environments of MSPs and GCs. Effectively, the formation of GCs and their MSPs is yet unknown and a highly discussed topic.
Therefore, in this thesis I investigate the question of the influence of binary stars on the photometric detection of MSPs and the possibility of separating the binary from single stars in the CMD. This is achieved by recreating observed MSPs in mock CMDs with simple stellar populations (SSPs). In the analysis, I vary several parameters controlling the cluster stellar populations -- binary fraction, population ratio, abundance variation and number of data points -- and look for dependencies among them. I created several algorithms for the analysis examining the detection of MSPs dependent on the fraction of blue binary stars and the abundance variation by fitting Gaussian mixture models (GMMs) to the colour distribution. Furthermore, they allow me to estimate the population fractions and compare the actual mock distributions with the Gaussian fits to see if they match each component.
I find that the fraction of blue binary stars does indeed influence the detection of MSPs such that higher binary fractions disguise the split MS which leads to fewer detections. Further, I find that the method applied to estimate the population fractions is insensitive to reasonable binary fractions producing fair population fraction estimates. However, the algorithm is not sophisticated enough to deal with large binary fractions and which leads to inaccurate estimates. Comparing the results to observations, 700 stars per cluster and binary fractions of up to 0.15 provide successful detection of MSPs and good estimation of population fractions. In the effort to separate the binaries from the single stars I find that the colour difference between single and binary stars is a narrow range, which could be used to set a prior for binary separation in subsequent works.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
multiple stellar populations binary stars globular clusters
Schlagwörter
(Deutsch)
Multiple Sternpopulationen Doppelsterne Kugelsternhaufen
Autor*innen
Laura Posch
Haupttitel (Englisch)
Separating multiple populations and binaries in globular clusters
Paralleltitel (Deutsch)
Aufteilung von Multiplen Populationen und Doppelsternen in Kugelsternhaufen
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
x, 74 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Prashin Jethwa
Klassifikationen
39 Astronomie > 39.40 Sternsysteme, Sterne ,
39 Astronomie > 39.42 Milchstraßensystem
AC Nummer
AC16340198
Utheses ID
58640
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |