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Dynamics of the Local Group in different theories of gravity
Christoph Saulder
Art der Arbeit
Magisterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Betreuer*in
Christian Theis
DOI
10.25365/thesis.8936
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30456.44066.842563-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In meiner Diplomarbeit untersuche ich die Bewegung und Verteilung der Galaxien der Lokalen Gruppe um ihre Geschichte und ihren Ursprung zu verstehen. Unsere Galaxiengruppe besteht aus zwei großen Galaxien, der Milchstraße und M31 (Andromedagalaxie), sowie etwa 40 weiteren Galaxien. Der Startpunkt meiner Untersuchung ist die beobachtete Verteilung der Galaxien in der Lokalen Gruppe, welche von unseren Erwartungen abweicht. Das Problem ist, dass die meisten Galaxien in unserer Galaxiengruppe in einer relativ dünnen Ebene, welche nicht mit der Scheibenebene einer der beiden dominante Spiralgalaxien übereinstimmt, angeordnet sind. Diese ebene Verteilung stimmt nicht mit unseren Erwartungen von kosmologischen Simulationen überein. Eine mögliche Erklärung für die beobachtete Verteilung ist eine mögliche Wechselwirkung zwischen der Milchstraße und M31 vor ungefähr 10 bis 12 Gigajahren. Demnach wäre Gas von den äußeren Teilen der Galaxien in deren Bahnebene gestreut worden. Ich versuche herauszufinden, für welche Mitglieder der Lokalen Gruppe diese Modell realistisch ist und die Ergebnisse von Sawa und Fujimoto (Sawa and Fujimoto, 2005) zu reproduzieren sind. Dafür wurden stellardynamische numerische Simulationen unter der Verwendung meines Newton’schen Hubble Expansions Integrators (NewHExI) durchgeführt. Diese Programm ist in der Lage, N-Körper-Berechnungen mit Newton’scher Gravitation (und Dunkle Materie Halos), Hubble-Expansion und dynamischer Reibung durchzuführen. Die Orbits der Zwerggalaxien um ihre Zentralgalaxie sind empfindlich bezüglich des Potentials der Zentralgalaxie sowie der dynamischen Reibung. Somit ist die Dynamik der Lokalen Gruppe ein perfektes Labor um das Dunkle Materie Paradigma sowie auch eine alternative Theorie, welche MOdifizierte Newton’sche Dynamik (MOND) genannt wird, zu testen. In dieser Theorie wird das Gravitationsgesetz für kleine Beschleunigungen, welche in den äußeren Teilen von galaktischen Scheiben und auch in Galaxiengruppen auftreten, modifiziert. Dazu wurden Simulation für die Lokale Gruppe unter Verwendung eines selbstentwickelten DEep-MONDd-Integrators (DeMonI) durchgeführt. Dieses Programm kann stellardynamische N-Körper-Systeme unter Verwendung von deep-MOND-Gravitation und Hubble-Expansion berechnen. In einem vorausgehenden Versuch Modelle in MOND zu berechnen, habe ich das Programm N-MODY (Londrillo and Nipoti, 2009) verwendet, aber es hat sich als nicht praktikabel für meine Anwendungen erwiesen und ich fand, dass der Code einige allgemeine Probleme hat. Die Anfangsbedienungen werden mittels eines genetischen Algorithmus optimiert. Ich habe 11 verschiedene Modelle berechnet, um unterschiedliche Aspekte der Dynamik der Lokale Gruppe zu untersuchen. Die grundlegende Struktur unserer Galaxiengruppe kann in allen Modellen reproduziert werden, aber eine detaillierte Untersuchung zeigt viele Probleme. Angesichts der Werte der Fitness-Funktion des genetischen Algorithmus kann MOND die Verteilung der Galaxien in der Lokalen Gruppe besser reproduzieren als die Newton’sche Gravitation mit Dunkler Materie. Trotz der Tatsache, dass MOND in der Lage ist, die räumliche Verteilung der Galaxien in unserer Galaxiengruppe sehr gut zu reproduzieren, ist sie sehr schlecht dabei die Radialgeschwindigkeiten zu reproduzieren, weil sich die meisten Galaxien einfach zu schnell bewegen in den Simulationen mit MOND. Darüber hinaus bewegt sich die Andromeda Galaxie in einige Modellen mit MOND nicht auf die Milchstraße zu, was im deutlichen Kontrast zu den Beobachtungen steht. Die Newton’schen Modelle haben jedoch auch einige Probleme beim reproduzieren der Radialgeschwindigkeiten, aber sie sind weniger schwerwiegend wie in MOND. Alle Newton’schen Modelle zeigen sehr ähnliche anfängliche Verteilungen zur Zeit der Nahebegegnung von der Milchstraße und der Andromeda Galaxie, doch die Galaxienverteilung kann am Ende sehr unterschiedliche aussehen in jedem einzelnen Modell. In MOND sind die anfänglichen Verteilungen so vielfältig wie die Ergebnisse nach der Integration. Weiters befindet sich die Andromedagalaxie immer auf ihren zweiten Orbit in den Modellen mit MOND, im Gegensatz zu den Newton’schen Modellen, wo M31 gerade ihr erstes Apogalaktikum passiert hat. Ein weiterer interessanter Aspekt ist, dass die Ebene der Galaxien nicht mit der Bahnebene der Milchstraße und M31 übereinstimmt, und zu dieser geneigt ist. Im Allgemeinen kann man sagen, dass die Ergebnisse sehr vielfältig sind und viele Möglichkeiten für Interpretationen offen sowie einige noch zu lösende Probleme zurück lassen. Es werden auch Vorschläge für weiterführende Untersuchungen gemacht.
Abstract
(Englisch)
In my thesis I study the movement and distribution of the Local Group galaxies to understand their history and origin. Our home galaxy group consists of two large galaxies, the Milky Way and M31 (Andromeda Galaxy), and about 40 known galaxies. The starting point of my investigation is the observed distribution of the galaxies in the Local Group, which differs from our expectations. The problem is that most galaxies in our galaxy group are arranged in a quite thin plane which does not correspond to the disc-plane of one of the two dominant spiral galaxies. This planar distribution does not correspond with our expectations from cosmological simulations. A possible explanation for the observed distribution is an interaction of the Milky Way and M31 about 10 to 12 Gigayears ago. At this time gas from outer parts of the galaxies has been scattered in the orbital plane of these two galaxies. I try to find out for which members of the Local Group this model is realistic and to reproduce the results of Sawa and Fujimoto (Sawa and Fujimoto, 2005). In order to do this, stellar dynamical numerical simulations using my Newtonian Hubble Expansion Integrator (NewHExI ) have been run. This programme is capable of performing n-body calculations with Newtonian gravitation (and Dark Matter halos), Hubble expansion and dynamical friction. The orbits of dwarf galaxies around the host galaxies are sensitive to the shape of the host’s potential and to dynamical friction. So the dynamics of the Local Group are a perfect laboratory to test the Dark Matter paradigm and also an alternative theory, which is called MOdified Newtonian Dynamics (MOND). In this theory the law of gravitation is modified for small accelerations which occur in the outer parts of galactic discs and also in a galaxy group. Therefore simulations for the Local Group have been run using a self-developed DEep-MONd-Integrator (DeMonI ). This programme is able to calculate stellar dynamic n-body systems using deep-MOND gravity and Hubble expansion. In a previous attempts to calculate models in MOND I used the programme N-MODY (Londrillo and Nipoti, 2009), but it has not proved practical for my application and I found that the code has some problems in general. The initial conditions of my models are optimised using a genetic algorithm. I ran 11 different models to investigate various aspects of the dynamics of the Local Group. The basic structure of our galaxy group can be reproduced in all models, but a detailed analysis shows many problems. Due to the values of the genetic algorithm’s fitness function MOND can fit the distribution of galaxies in the Local Group better than Newtonian gravity with Dark Matter. Despite MOND is able to reproduce the spatial distribution of galaxies in our galaxy group very well, it does extremely poorly for the radial velocities, because most galaxies simply are moving too fast in the MONDian simulations. Furthermore the Andromeda Galaxy is not approaching the Milky Way in some of the MONDian models, which is in striking contrast to observations. The Newtonian models also have some problems in fitting the radial velocities, but they are less significant than in MOND. All Newtonian models show quite similar initial distributions at the time of the close encounter of the Milky Way and the Andromeda Galaxy, though the finial distribution of galaxies may look quite different in every single model. In MOND the initial distributions are as multifarious as the results after the integration. In addition to that, the Andromeda Galaxy is always on its second orbit in the MONDian models, in contrast to the Newtonian models, where M31 has just passed its first apogalacticum. Another interesting aspect is that the plane of galaxies does not correspond to the orbital plane of the Milky Way and M31 but it is inclined toward it. In general one can say that the results are very multifarious and open a lot of possibilities for interpretations as well as there remain several problems to be solved. Also some suggestions for further investigations are presented.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Local Group Modified Newtonian Dynamics Dark Matter dynamical friction Hubble Expansion N-MODY genetic algorithm galactic dynamics Milky Way Andromeda Galaxy early interaction plane of satellite galaxies simulation gravity
Schlagwörter
(Deutsch)
Lokale Gruppe Modifizierte Newton'sche Dynamik dunkle Materie dynamische Reibung Hubble-Expansion N-MODY genetische Algorithmus Galaxiendynamik Milchstraße Andromeda-Galaxie frühe Wechselwirkung Ebene der Satellitengalaxien Simulation Gravitation
Autor*innen
Christoph Saulder
Haupttitel (Englisch)
Dynamics of the Local Group in different theories of gravity
Paralleltitel (Deutsch)
Dynamik der Lokalen Gruppe in verschiedenen Gravitationstheorien
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
170 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christian Theis
AC Nummer
AC08062496
Utheses ID
8057
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |