Annelies Cloet-Osselaer

Universiteit Gent Faculteit Wetenschappen Vakgroep Fysica & Sterrenkunde Star formation and merger trees in dwarf galaxy simulations Stervorming en versmeltingsbomen in simulaties van dwergsterrenstelsels Annelies Cloet-Osselaer Proefschrift voorgedragen tot het behalen van de graad van Doctor in de Wetenschappen: Sterrenkunde Academiejaar 2014-2015 Promotor: Prof. Dr. Sven De Rijcke Universiteit Gent Faculteit Wetenschappen Vakgroep Fysica & Sterrenkunde Promotor: Prof. Dr. Sven De Rijcke Universiteit Gent Faculteit Wetenschappen Vakgroep Fysica & Sterrenkunde Krijgslaan 281, S9, B-9000 Gent, België Tel.: +32-9-264.47.96 Fax.: +32-9-264.49.89 Dit werk kwam tot stand in het kader van een project van het Bijzonder Onderzoeksfonds van de Universiteit Gent. Figuur voorpagina: De gasverdeling in een simulatie met een versmeltingsboom. De feedback van de sterren blaast bellen in het gas van de modellen. Proefschrift tot het behalen van de graad van Doctor in de Sterrenkunde Academiejaar 2014-2015 Dankwoord Het is vele jaren geleden dat de sterrenkundemicrobe me te pakken kreeg: van de heldere nachten in de Provence en de koude practica op het dak van de S9 naar de warme bureaus op de Sterre, waar computers de vorming van het universum nabootsen. Mijn jeugdig en- thousiasme om 's nachts in de kou naar de sterren te kijken is ondertussen toch al een beetje verwaterd, al heb ik mooie herinneringen aan de waarnemingspractica op het dak waar ik samen met Steven de studenten enthousiast begeleidde. Tijdens mijn studies leerde ik ook dat sterrenkunde meer was dan nachtelijke waarnemingen. Mijn doctoraat liet me dan ook een totaal andere, maar even boeiende zijde van de sterrenkunde zien: het modelleren van de vorming van dwergsterrenselsels en wat we daaruit kunnen leren over de vorming van ons heelal in het algemeen. In de eerste plaats wil ik zeker mijn ouders bedanken om me te steunen in mijn niet zo alledaagse hobby, mijn streven naar onafhankelijkheid door vanaf mijn eerste jaar op kot te mogen gaan en zoveel meer. En hoewel ik volgens de Simon-test van de UGent helemaal niet sociaal ben wil ik ook graag mijn collega's bedanken voor de vele astronomische en niet- astronomische discussies tijdens de koffiepauzes om 9u30. Ik hoop dat jullie de traditie zullen blijven verderzetten zonder dat ik 'koffie’ kom roepen in jullie kantoren of waar jullie nieuwe levens jullie ook naartoe leiden. En dan nog het serieuze werk. Eerst wil ik mijn promotor Sven bedanken, in de eerste plaats om mij de kans te geven dit doctoraat te maken, maar ook om de problemen die ik onderweg tegenkwam te structureren en eenvoudige oplossingen voor te stellen en voor het nalezen van mijn artikels. Verder wil ik iedereen van onze Dwarf Galaxy Group bedanken: Bert, Joeri, Mina, Robbert, Sander en Sven, voor het gezelschap op conferenties, goede ideeën,toffe groupmeetings, mijn gevecht met computercodes, ... Tot slot wil ik Simon bedanken om er voor mij te zijn wanneer het nodig is, om alle dingen die we samen beleefd hebben, alle toekomstplannen die we gemaakt hebben en voor onze kleine Anna: haar enthousiaste glimlach en schaterlach brengen elke dag het zonnetje in huis. Gent, maart 2015 Annelies Table of Contents Dankwoord i 1 Introduction1 2 Simulations 11 2.1 Simulation code................................. 11 2.2 Initial conditions................................. 13 2.2.1 Dark matter halo............................ 13 2.2.2 Gas halo................................. 14 2.3 Subgrid physics................................. 15 2.3.1 Criteria for Star formation....................... 15 2.3.2 Feedback................................ 16 2.3.3 Cooling................................. 18 2.4 Visualization and analysis............................. 19 3 Star formation parameters and M?-Mhalo relation 21 3.1 Introduction................................... 21 3.2 Simulations................................... 23 3.3 Analysis..................................... 24 3.3.1 The NFW halo............................. 24 3.3.2 Star formation histories......................... 26 3.3.3 Density distribution of the ISM..................... 28 3.3.4 Scaling relations............................ 29 3.3.4.1 Half-light radius Re ..................... 29 3.3.4.2 The fundamental plane................... 32 3.3.4.3 Color V − I .......................... 32 3.3.4.4 Metallicity.......................... 34 3.3.4.5 Surface brightness profiles.................. 34 3.3.4.6 The Tully-Fisher relation.................. 35 3.3.4.7 The Faber-Jackson relation................. 35 3.3.4.8 The Mstar-Mhalo relation................... 37 3.4 Discussion and conclusions........................... 37 3.4.1 Cusp to core.............................. 37 3.4.2 Degeneracy............................... 38 3.4.3 The dwarf galaxy dark-matter halo occupancy............. 40 4 Dwarf galaxy merger trees 43 4.1 Introduction................................... 43 iv TABLE OF CONTENTS 4.2 Simulations................................... 45 4.2.1 Initial conditions isolated galaxies and recipes............. 45 4.2.2 Merger trees.............................. 45 4.3 Analysis..................................... 49 4.3.1 Star formation histories......................... 49 4.3.1.1 Isolated galaxies....................... 49 4.3.1.2 Merged galaxies....................... 50 4.3.2 Scaling relations............................ 53 4.3.2.1 Half-light radius Re ..................... 53 4.3.2.2 The V−I and B−V colour.................. 55 4.3.2.3 The metallicity........................ 56 4.3.2.4 The Sérsicparameters.................... 59 4.3.2.5 The Faber-Jackson relation................. 59 4.4 Discussion.................................... 60 4.4.1 The dark matter halo.......................... 60 4.4.2 Stellar specific angular momentum................... 67 4.4.3 Kinematics............................... 69 4.4.3.1 Anisotropy diagram..................... 69 4.4.3.2 Shapes - Triaxiality...................... 72 4.5 Conclusion.................................... 72 5 Recent work 77 5.1 New cooling and heating curves........................ 77 5.2 General NFW haloes (GenNFW)........................ 83 5.3 Color Magnitude Diagram (CMD) and star formation histories........ 87 5.4 Baryonic Tully Fisher relation (BTFR)..................... 94 6 English summary 99 7 Nederlandse samenvatting 103 8 Outlook 107 A Sampling a dark matter halo 129 A.1 The NFW halo.................................. 131 A.2 The general NFW halo.............................. 134 B Determination of the inital conditions of a merger simulation 139 B.1 Elliptical trajectory............................... 141 B.2 Hyperbolic trajectory.............................. 143 1 Introduction How the Universe has become as we observe it today has been a question that kept people wondering forever. Now, the most accepted theory describing the evolution of our Universe is the ΛCDM model, often referred to as 'the standard cosmological model'. According to this theory our Universe consists of matter, both luminous and dark, and dark energy. Different experiments have tried to observe the cosmic microwave background (CMB) from which the contribution of each component can be determined, for example WMAP (Bennett et al., 2013) and Planck (Planck Collaboration et al., 2014). They have determined that we are very likely living in a spatially infinite and geometrically flat universe, meaning that the mean energy density is equal to the critical density of the universe. After 9 years of observations by the WMAP satellite, Hinshaw et al.(2013) reported the following composition of our Universe: 4.6% baryons: be it in the form of gas, dust or stars, are the most accessible form of matter, emitting radiation over the whole electromagnetic spectrum. 24% cold dark matter: only interacts gravitationally and is much more difficult to 'observe'. The 'cold' dark matter (CDM) has velocities which are non-relativistic. 71% dark energy: is responsible for the accelerating expansion of the universe. It is quan- tified in the Einstein field equations by the cosmological constant, Λ. The ΛCDM model is consistent with the creation of space-time at the Big Bang and is able to explain most observed phenomena like the existence and fluctuations of the cosmic microwave background, the large scale structure of galaxy clusters, the distribution of the elements and the expansion of the Universe. Structure formation in the Universe started in the small adiabatic overdensities visible in the cosmic microwave background. They functioned as seeds for gravitational instabilities in which dark matter clumped together. After recombination, baryons fall into dark matter perturbations and these overdensities can then grow and when 2 Introduction they get dense enough they collapse to form the first proto-galaxies. Galaxies like we observe them today are created 'hierarchically' by subsequent merging of these smaller components and by smooth accretion of dark matter to larger structures that are able to support star formation. Our interest in dwarf galaxies partially lies in the hierarchical bottom-up structure formation of the Universe since the large structures were constructed in the early Universe by the merging of similar haloes from which the present day dwarfs originated. In addition, large surveys have shown that dwarf galaxies are the most common type of galaxies in the Universe and they are well represented in our Local Group. Recently, the number of observations of dwarf galaxies has increased and improved

Load more