Orbits of open clusters

Mgr. Lucie Jílková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Práce se zabývá studiem Galaktických drah otevřených hvězdokup. Výhody pozorování hvězdokup jsou dobře známé a přinesly mnoho zásadních výsledků vedoucích k pochopení astrofyzikálních procesů na různých škálách -- od základů hvězdného vývoje až po chemodynamický vývoj Galaktického disku (a disků obecně). Kinematika a dráhy hvězdokup v kontextu dalších charakteristik těchto systémů jsou důležitou částí poznání, které hvězdokupy nesou. V první části prezentované práce jsme se zaměřili na studium dráhy otevřené hvězdokupy NGC6791. Jde o jedinečný systém, který s věkem okolo 8 Gyr patří mezi nejstarší a zároveň, s metalicitou [Fe/H]~ +0.4, nejvíce na kovy bohaté známé otevřené hvězdokupy. Současná poloha NGC6791 v Mléčné dráze s Galaktocentrickým poloměrem 8 kpc protiřečí klasickému obrazu radiálního gradientu metalicity otevřených hvězdokup. Tento gradient předpovídá výrazně nižší obsah kovů pro systém nacházející se v takové vzdálenosti od Galaktického centra. Množství zvláštních chrakteristik pozorovaných u hvězdokupy NGC6791 přirozeně vzbuzuje otázku, jaký je původ tohoto systému. V prezentované práci jsme se soustředili na variantu, kdy se systém sformoval blízko Galaktického centra a později se přemístil -- migroval -- do větší vzdálenosti v disku, kde ho pozorujeme dnes. S užitím modelu, který je v souladu se současně známým obrazem Mléčné dráhy, jsme provedli integrace dráhy hvězdokupy NGC6791. Model obsahuje také Galaktickou příčku a spirální ramena. Vícenásobné osově nesymetrické poruchy jsou jednou z možných příčin procesu radiální migrace. Současná dráha hvězdokupy je porovnána s drahami pocházejícími ve vnitřních částech disku. Výsledky ukazují, že pouze kombinovaný model, obsahující jak příčku tak i spirální ramena, je schopný vytvořit dráhu podobnou současné dráze NGC6791 a přemístit tak hvězdokupu do její současné polohy. Nicméně, pravděpodobnost realizace takové dráhy odhadujeme na základě našich výpočtů jako velmi nízkou (menší než 1%). S použitím teoretické aproximace pro popis ztráty hmoty z hvězdokup popsané v literatuře, jsme dále provedli jednoduchý odhad původní hmotnosti hvězdokupy NGC6791. V druhé části práce prezentujeme dráhy 34 otevřených hvězdokup. Výběr jednolivých hvězdokup byl podmíněn dostupností informace o jejich metalicitě pocházející ze spektroskopického měřění s vysokým rozlišením. Vektor vlastního pohybu pro tyto systémy jsme odvodili s užitím dat pro jednotlivé hvězdy prezentovaných v katalogu UCAC4. Dráhy jsou spočítány s užitím osově symetrického modelu a modelu obsahujícím osově nesymetrické komponenty (příčka a spirální ramena). Jsou prozkoumány možné souvislosti dráhových elementů (výstřednost, vertikální amplituda) s dalšími vlastnostmi hvězdokup (metalicita a stáří). Dále je také zkoumán možný časový vývoj radiálního gradientu metalicity hvězdokup. Přítomnost časového vývoje však není v našich výsledcích prokázána a diskutujeme možné příčiny a důsledky.

Abstract:

This thesis is focused on study of Galactic orbits of open clusters. Well known observational advantages in the characterization of star clusters have yielded many important results helping us to understand physical processes on various scales -- from the stellar evolution, up to the constraints on the chemodynamical evolution of the Milky Way disk and galactic disks in general. Clusters kinematics, orbital history, and their connection with other clusters characteristics are an important part of the information these stellar systems hold. In the first part of the thesis, we concentrated on the open cluster NGC6791. This is a unique case in the Galactic system of open clusters, being one of the oldest (with age about 8 Gyr) and, at the same time, one of the most metal-rich ([Fe/H]~ +0.4) open clusters known. The current position of NGC6791, at the Galactocentric radius of about 8 kpc, contradicts the classical picture of the metallicity gradient as traced by open clusters, which predicts a much lover metallicity for a cluster at this radius. The number of unique characteristics of NGC6791 possess the basic question of the cluster origin and history. In this thesis, we study the cluster orbit and investigate the possibility that the cluster formed close to the Galactic center and later migrated outward to its current location. To this aim, we integrated orbit of NGC6791 in a potential consistent with the present-day picture of the Milky Way including the Galactic bar and spiral arms. Multiple non-axisymmetric patterns induce one of the possible mechanisms of radial migration. Current cluster orbit is compared with orbits originating in the inner Galactic disk regions. The results show that only the combined model, including both the bar and spiral arms, could bring the cluster to its current position with orbit similar to the current one. However, even thought the scenario is plausible, its probability based on our calculations is very low (less then 1%). Further, using a theoretical approximation for star cluster mass loss presented in the literature, we have also performed a basic estimate of the NGC6791 initial mass. In the second part of the thesis, we investigated orbits of a sample of 34 open clusters. The clusters were selected to have a high-resolution metallicity estimate available in the literature. We obtained clusters mean proper motion vectors using data on individual stars from the UCAC4 catalog. Orbits are calculated in the axisymmetric model as well as in the model including the bar and spiral arms. We investigate orbital parameters and their connection with the clusters metallicities and ages, and also the possible time evolution of the radial metallicity gradient. However, we do not find any significant evidence for the latter and reasons and implication of our results are discussed.

Keywords

otevřené hvězdokupy, Galaktické dráhy, Mléčná dráha, NGC6791, Galaktický disk, Open clusters, Galactic orbits, Milky Way, Galactic disk

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 4. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2013
• Supervisor: Mgr. Filip Hroch, Ph.D.
• Reader: Univ. Doz. Dr. Ernst Paunzen, PhD., prof. Eileen Friel, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Theoretical Physics and Astrophysics