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Creating an empirical isochrone archive

Alena Kristina Rottensteiner

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Astronomie

Betreuer*in

Stefan Meingast

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DOI

10.25365/thesis.71312

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-23711.33526.418868-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Bestimmung von absoluten Sternaltern ist bis heute ein schwieriges Unterfangen, da sie sich im Regelfall nur schwer aus messbaren Parameter ableiten lassen. Aus diesem Grund wird bei der Untersuchung von Sternhaufen oder im Rahmen groß angelegter Altersstudien häufig auf theoretische Modelle zur Schätzung der ungefähren Populationsalter zurückgegriffen. Infolgedessen ist die Qualität der erhaltenen Alterswerte an die Vollständigkeit und Richtigkeit der theoretisch beschriebenen Sternentwicklungsstadien gebunden und systematische Fehler können nicht ausgeschlossen werden. Für Sternhaufen im Alter von etwa 100−500 Millionen Jahren gestaltet sich die Altersbestimmung oft besonders schwierig, da Modelle wie theoretische Isochronen, also Indikationslinien für Sterne gleichen Alters im Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) oder Farben-Helligkeits-Diagramm (FHD), über diesen Altersspanne oft sehr ähnlich verlaufen und überdies kaum eindeutige Referenzpunkte für Modelle in den Observationsdaten zu finden sind. Sofern keine weiteren globalen Parameter von Sternhaufen, wie beispielsweise Metallizitäts- oder Extinktionswerte, bekannt sind, kann ein “blinder Fleck” in der Altersbestimmung in dieser Altersregion entstehen, welcher zur Verfälschung der geschätzten Haufenalter beiträgt. Um eine Modellabhängigkeit und ihre assoziierten Nachteile bei der Altersbestimmung von Sternhaufen zu umgehen, besteht die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit darin, ein rein auf Beobachtungsdaten basierendes System zur Altersbestimmung zu entwickeln. Unter Verwendung von Observationsdaten des Gaia Satelliten, sowie publizierten Mitgliedslisten von Sternhaufen wird ein Archiv aus 67 solcher Objekte, die sich in naher Umgebung der Sonne (≤ 500 pc) befinden, erstellt. Für dieses werden anschließend empirische Isochronen ermittelt und so eine relative Art der Altersbestimmung geschaffen. Alle empirischen Isochronen werden aus den Farben-Helligkeit-Diagrammen der jeweiligen Sternhaufen extrahiert. Für ihre Erzeugung aus dieser auf reinen Beobachtungsdaten basierenden Darstellungsform werden verschiedene Zugangsweisen aus den zwei unterschiedlichen Bereichen der Bildverarbeitung und der Datenanalyse untersucht und an ausgewählten Sternhaufen des Archivs getestet. Konkret handelt es sich hierbei um die drei Methoden Percentile fitting, Principal curves und Support vector regression aus dem Feld der Datenanalyse, sowie die beiden Methoden Skeletonization und Contour evaluation aus dem Fachbereich der Bildverarbeitung. Alle Methoden werden in Bezug auf die Qualität ihrer Ergebnisse, ihre universellen Anwendbarkeit, sowie ihren numerischen Rechenaufwand miteinander verglichen und bewertet. Zusätzlich werden die Methoden Extreme deconvolution und Principal component analysis bezüglich ihrer Eignung zur Aufbereitung der Beobachtungsdaten erforscht. Im Allgemeinen erscheinen die Methoden aus dem Bereich der Datenanalyse besser für die Extraktion von empirischen Isochronen geeignet, als jene aus dem Feld der Bildverarbeitung. Der Algorithmus der Support vector regression (SVR) produziert die besten Isochronen, ist sehr gut automatisierbar und kann genau auf jeden Sternhaufen zugeschnitten werden. In Verbindung mit der Datenaufbereitung durch Principal component analysis (PCA) ist SVR außerdem auf eine große Altersspanne der Sternhaufen generalisierbar. Unter Verwendung der Methode werden zuerst für jeden Sternhaufen die SVR-Hyperparameter automatisch optimiert. Im Anschluss wird eine große Anzahl an Isochronen mithilfe von wiederholtem “bootstrapping” der Ausgangsdaten berechnet. Bei dieser Technik handelt es sich um ein Ziehen mit Zurücklegen von Wertepaaren aus den ursprünglichen FHD-Daten eines Sternhaufens. Dadurch entsteht eine neue Datengrundlage für die Berechnung der SVR-Isochronen, in der manche Ursprungswerte mehrmals vorkommen, während andere nicht mehr vertreten sind. Aus der Gesamtheit aller Einzelisochronen wird abschließend die endgültige empirische Isochrone durch eine lokale Ermittlung des Medianwerts generiert. Zusätzlich werden das 5. und 95. Perzentil der Isochronen-Sammlung berechnet, um so einen Schwankungsbereich der Isochronenposition zu definieren. Unter Verwendung der SVR-Methode werden Isochronen für alle 67 Sternhaufen des Archivs generiert und bezüglich ihrer Qualität und Aussagekraft analysiert. Außerdem werden die erhaltenen Ergebnisse mit gängigen Haufenaltern aus der Literatur verglichen, um auf Übereinstimmungen sowie Diskrepanzen zu schließen. Abschließend wird die Relevanz des Archivs diskutiert und zwei Fallbeispiele von Sternhaufen von besonderem Interesse werden vorgestellt. Das Archiv empirischer Isochronen für nahe Sternhaufen eröffnet die Möglichkeit, eine relative Altersbestimmung von Sternhaufen und Assoziationen durchzuführen, welche nicht auf theoretischen Sternentwicklungsmodellen basiert und deswegen auch nicht mit den gleichen Unsicherheiten behaftet ist. Allein der relative Vergleich zwischen bekannten und neu entdeckten Sternpopulationen könnte wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Entstehungsgeschichte der Milchstraße liefern.

Abstract

(Englisch)

Context. Stellar groups, and open clusters in particular, are among the most popular tracers of stellar evolution in the Milky Way galaxy. Studying them provides valuable insights into large-scale structure and kinematics, among many other topics. However, inferring information about structure evolution or cluster formation processes requires knowledge about a crucial, yet elusive physical parameter – the age of a cluster. Aims. To date, age estimation of clusters and stars remains a complex process, and its results are often associated with high uncertainties and dependencies on the completeness and correctness of theoretical models. Moreover, over an age range of around 100−500 Myr, age determinations for clusters prove to be extremely difficult and even a blindspot for theoretical isochrones can be observed. With the goal of circumventing the drawbacks associated with model-dependent ages, an age estimation method based exclusively on observational data, which allows the derivation of relative cluster ages in the form of empirical isochrones, is developed. By providing such isochrones for a comprehensive, representative, and relevant selection of nearby open clusters, a way of quantifying ages via a relative comparison between individual stellar populations is established. The isochrones are derived from high-quality observational data of Gaia DR2 and EDR3, for a selection of 67 clusters within 500 pc. Methods. The empirical isochrones are extracted from color-magnitude diagrams (CMD) of the individual clusters, which are based on member selections found in contemporary literature. In a first step, various methods stemming from either the field of image processing or data analysis are tested on selected clusters and compared with respect to their performance, universality, and computational complexity. In addition, procedures regarding the pre-processing of cluster data, which could improve the results or applicability of an isochrone extraction method, are examined. The investigations show that the best method for the purposes of the project is support vector regression (SVR), which allows a thorough tailoring to each cluster via an automated hyperparameter tuning, and its extracted isochrones reproduce the shape of the cluster distribution in the CMD in great detail. Combined with data pre-processing via principal component analysis (PCA), the method can be generalized over a large range of cluster ages. Results. Empirical isochrones are extracted for each of the 67 archive clusters by creating a large number of SVR-isochrones via bootstrapping of the cluster data and calculating the median values from all resampled curves. By further determining the values of the 5th and 95th percentiles, an uncertainty region around the extracted isochrone is defined. The results are compared to cluster age estimates found in literature and similarities as well as discrepancies are highlighted. Subsequently, the relevance of the archive is discussed, and two case studies on clusters of special interest are conducted. Conclusion. By providing an archive of empirical isochrones for nearby clusters, an age quantification of stellar populations that is independent from stellar evolution modelling is created. The robust method allows for a relative comparison of both known and new stellar conglomerates and yields valuable information regarding the quest for a deeper understanding of the formation and evolution of mid- to large-scale structures in the galaxy.

Autor*innen

Alena Kristina Rottensteiner

Haupttitel (Englisch)

Creating an empirical isochrone archive

Paralleltitel (Deutsch)

Erstellung eines Archivs empirischer Isochronen

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

xii, 111 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Stefan Meingast

Klassifikation

39 Astronomie > 39.40 Sternsysteme, Sterne

AC Nummer

AC16554052

Utheses ID

62631

Studienkennzahl

UA | 066 | 861 | |

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