Studying Open Clusters and DIBs During the Gaia Era

Mgr. Martin Piecka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Jedny z nejdůležitějších objektů pro studium hvězd jsou otevřené hvězdokupy. Mohou být použity ke studiu mnoha aspektů vzniku, vývoje, kinematiky a dynamiky hvězd. S informacemi, které poskytuje Gaia ve svých četných datových vydáních, jsme schopni studovat hvězdokupy s mnohem větší přesností než kdy dřív - to ovlivňuje nejen fyziku zkoumanou astrometrickými veličinami, ale také odvozené pravděpodobnosti členství. Několik problémů studovaných v literatuře je stále špatně vyřešeno. Příkladem jsou známé problémy s transformací paralax na vzdálenosti, které jsou stále často ignorovány. Poskytujeme naši analýzu výše zmíněného problému a tvrdíme, že převrácené hodnoty střední paralaxy představují dobrou míru odhadu vzdálenosti až do několik kpc. Ukazujeme, že prodloužení hvězdokup podél směru pohledu zůstane téměř nezměněno, bez ohledu na zvolenou metodu transformace mezi paralaxami a vzdálenostmi. Na další problém můžeme narazit při analýze otevřených hvězdokup z nedávno publikovaných katalogů založených na metodě UPMASK. Žádná z populárních prací nezohlednila, že se hvězdokupy mohou ve fázovém prostoru výrazně překrývat. Ukazujeme, že v některých případech má toto přehlédnutí za následek špatnou klasifikaci členů hvězdokupy. Toto ovlivňuje všechny údaje, které můžeme pro dané hvězdokupy získat - ne jenom průměrné paralaxy a průměrné vlastní pohyby, ale také věk a chemické složení. V jedné z našich nejnovějších studií jsme analyzovali schopnost otevřených hvězdokup a difúzních mezihvězdných pásů (diffuse interstellar bands) sledovat blízká spirální ramena naši Galaxie. Připravili jsme poměrně jednoduchý postup, který přináší výsledky srovnatelné se složitějšími numerickými metodami. Ukazuje se, že pouze hvězdokupy mladší než zhruba 100 Myr by měly být považovány za vhodné indikátory spirálních ramen v naší Galaxii. Naše metoda může být snadno použita pro jiné spirální galaxie - vyžaduje se pouze znalost rotační křivky, vzdálenosti a rychlosti vzoru (pattern speed) spojené se spirálními rameny. Než jsme začali s analýzou spirálních ramen pomocí difúzních mezihvězdních pásů, chtěli jsme vylepšit naši starší verzii mapy těchto indikátorů mezihvězdného prostředí. Revidované mapy poskytují několik pohledů na rozložení zodpovědných molekul (carriers) v okolí Slunce. Avšak, ani tyto mapy, ani podrobnější mapy založené na infračerveném pásu nemohou prokázat, že by difúzní mezihvězdné pásy sledovaly spirální ramena. V této oblasti výzkumu je zapotřebí ještě mnoho práce.

Abstract:

Open clusters represent one of the most important objects for studying stars. They can be used to study multiple aspects of star-formation, stellar evolution, kinematics and dynamics. With the information provided by Gaia in its multiple data releases, we have the ability to study clusters with much higher precision than ever before - this affects not only the physics probed by the astrometric quantities but also the derived membership probabilities. Several problems tackled in the literature are still poorly resolved. For example, the well-known issues with the transformation of parallaxes to distances are still often ignored. We provide an analysis of the problem and propose that the inverted mean parallaxes are still reasonable measures of distances up to a few kpc. We argue that the elongation of clusters along the line of sight will remain almost unchanged regardless of the chosen parallax-distance transformation method. Another issue can be encountered when analysing open clusters from the recently published catalogues based on the UPMASK method. None of the popular works have taken into account that clusters may significantly overlap in the phase space. We point out that this oversight results in a bad membership classification in such cases of clusters. This affects all the information we can get for these clusters - mean parallaxes, mean proper motion, ages and metallicities. In one of our latest studies, we analysed the ability of open clusters and diffuse interstellar bands to probe the nearby Galactic spiral arms. We prepared a relatively simple approach that yields results comparable with more complicated numerical methods. It is shown that only clusters younger than about 100 Myr should be considered as suitable tracers of spiral arms in our Galaxy. Our method can be easily extended to other spiral galaxies and requires only the knowledge of the rotational curve, the distance and the pattern speed associated with the spiral arms. Before we started the analysis of spiral arms with diffuse interstellar bands, we wanted to improve upon our older version of the map of these tracers of the interstellar medium. The revised maps provide several insights into the distribution of the carriers in the Solar Neighbourhood. However, neither these maps nor the more detailed maps based on an infrared band can be proved to trace spiral arms. More research in this topic is still required.

Keywords

Gaia, Astrometrie, Otevřené hvězdokupy, Kinematika Galaxie, Difúzní mezihvězdní pásy, Astrometry, Open clusters, Galactic kinematics, Diffuse interstellar bands

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 3. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2022
• Supervisor: doc. Ernst Paunzen, Dr.rer.nat
• Reader: RNDr. Ján Budaj, CSc., Prof. Dr. Ralph Neuhäuser

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Astrophysics