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Predicting the limits of the ELT
an exercise in tempering expectations for studies of the initial mass function with the ELT in the galactic centre and beyond
Alarich Herzner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Computational Science
Betreuer*in
Joao Alves
Mitbetreuer*in
Kieran Leschinski
DOI
10.25365/thesis.71777
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16821.64796.331030-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Extremely Large Telescope (ELT), dessen Fertigstellung für 2027 geplant ist, kann für Untersuchungen der ursprünglichen Massenfunktion, auf Englisch Initial Mass Function (IMF), in der Nähe des galaktischen Zentrums eingesetzt werden. Detaillierte Kenntnisse der gesamten IMF in Umgebungen, die sich deutlich von der Sonnenumgebung unterscheiden, sind von entscheidender Bedeutung, um den Astronomen ein besseres Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien vom Urknall bis heute zu ermöglichen. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die untersten Massengrenzen für die zuverlässige Bestimmung der Zugehörigkeit eines Sterns zu einem Sternhaufen in verschiedenen galaktischen Umgebungen zu finden. Insbesondere soll mit dieser Arbeit herausgefunden werden, wo die Zuverlässigkeitsgrenze für zukünftige IMF-Studien im galaktischen Zentrum liegt, wenn das ELT verwendet wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden dazu beitragen, in der IMF-Gemeinschaft Erwartungen darüber zu setzen, welche offenen Fragen mit der nächsten Generation von extrem großen Teleskopen realistisch beantwortet werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine Software entwickelt, die in der Lage ist, realistische Verteilungen von Sternen in einem beliebigen Gebiet der Milchstraße zu simulieren. Mit Hilfe der Software wurden Beobachtungen mit unterschiedlichen Sternhaufenmassen und Positionen vom galaktischen Antizentrum bis zum galaktischen Zentrum simuliert. Die daraus resultierenden Daten wurden in Sätze von Beobachtungsbildern umgewandelt, die Multi-Epochen-Beobachtungen mit MICADO am ELT darstellen. Sternpositionen und Lichtstrom wurden aus den Bildern mit photometrischen Techniken extrahiert, die von photutils bereitgestellt wurden. Aus diesen zeitgestempelten Positionen wurde die Eigenbewegung geschätzt, da die Position allein nicht ausreicht, um zu bestimmen, ob ein bestimmter Stern ein Feldstern oder ein Mitglied eines Haufens ist. Die Clusteranalyse wurde anhand der Eigenbewegung in Verbindung mit den Positionen und der scheinbaren Helligkeit durchgeführt. Schließlich wurde die Leistung der Analyse mit Hilfe der Kenntnis über die korrekte Zuordnung (simulierter Sternhaufen und Feldsterne) bestimmt. Diese Leistungsbestimmungen wurden für verschiedene Sternmassenbereiche (Sterne mit niedriger, solarer und hoher Masse) ausgewertet, um die Zuverlässigkeit und Vollständigkeit der Haufenmitgliedschaften innerhalb eines bestimmten Massenbereichs zu bestimmen. Somit kann angegeben werden, in welchen Bereichen die IMF-Studien möglich sind. Nach unseren Ergebnissen kann die Cluster-Zugehörigkeit für massearme (<1×10^4 M⊙) Sternhaufen für Massen >0.5 M⊙ im galaktischen Zentrum zuverlässig bestimmt werden, aber es wird erwartet, dass sie in allen untersuchten Massenbereichen einschließlich 0.5 M⊙ bis 0.08 M☉ für wirklich massereiche ( >1 × 10^4 M⊙) Haufen akzeptabel ist. Außerhalb des galaktischen Zentrums ist die volle IMF in allen simulierten jungen Sternhaufen bis zu 8 kpc verfügbar.
Abstract
(Englisch)
With its completion planned for 2027, the Extremely Large Telescope (ELT) may be used for studies of the Initial Mass Function (IMF) near the Galactic Centre. Detailed knowledge of the full IMF in environments significantly different to the solar neighbourhood is paramount to enabling astronomers to better understand the formation and evolution of galaxies from the Big-Bang right up to the present day. The aim of this master thesis is to find the lowest mass limits for reliably determining whether or not a star belongs to a star cluster in different galactic environments. In particular this work aims to find where the reliability limit will be for future IMF studies in the galactic centre when using the ELT. The results of this work will help to set expectations in the IMF community about which open questions may realistically be answered with the next generation of extremely large telescopes. To achieve this goal a piece of software has been developed which is able to simulate realistic distributions of stars in any area of the Milky Way. Using the software, mock observations with differing cluster masses and locations from the galactic anti centre to the galactic centre have been simulated. The resulting data has been converted into sets of observational images representing multi-epoch observations with MICADO at the ELT. Star positions and flux has been extracted from the images with photometric techniques provided by photutils. From these time stamped positions the proper motion has been estimated, since the position alone is not enough information to determine if a given star is a field star or a member of a cluster. Cluster analysis was performed on proper motion in conjunction with positions and apparent magnitude. Finally, the performance of the analysis was measured leveraging the ground truth set (the simulated cluster and field stars). These performance measures were evaluated for different stellar mass ranges (low-, solar-, high-mass stars) in order to determine the reliability and completeness of cluster memberships within a given mass range. Hence, indicating in which ranges the IMF studies will be possible. According to our results, the cluster membership for low mass (<1 × 10^4 M⊙) clusters can be reliably determined for masses >0.5 M⊙ in the galactic centre, but expected to be acceptable in all studied mass regimes including 0.5 M⊙ to 0.08 M⊙ for truly massive (e.g. >1 × 10^4 M⊙) clusters. Outside of the Galactic Centre (GC), the full IMF is available in all simulated young star clusters out to 8 kpc.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Extremely Large Telescope ursprünglichen Massenfunktion galaktisches potential N-Körper-Simulation Photometrie Clusteranalyse
Schlagwörter
(Englisch)
Extremely Large Telescope Initial Mass Function Galactic potential N-body simulation photometry Cluster analysis
Autor*innen
Alarich Herzner
Haupttitel (Englisch)
Predicting the limits of the ELT
Hauptuntertitel (Englisch)
an exercise in tempering expectations for studies of the initial mass function with the ELT in the galactic centre and beyond
Paralleltitel (Deutsch)
Vorhersage der Grenzen des ELT
Paralleluntertitel (Deutsch)
eine Übung zur Mäßigung der Erwartungen für Studien der ursprünglichen Massenfunktion mit dem ELT im galaktischen Zentrum und darüber hinaus
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
70 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Joao Alves
Klassifikationen
39 Astronomie > 39.11 Astronomische Beobachtung, Observatorien, Planetarien ,
54 Informatik > 54.76 Computersimulation
AC Nummer
AC16588387
Utheses ID
63181
Studienkennzahl
UA | 066 | 910 | |