Tilmann Piffl

• Numerical simulations of galaxy formation and observational Galactic Astronomy are two fields of research that study the same objects from different perspectives. Simulations try to understand galaxies like our Milky Way from an evolutionary point of view while observers try to disentangle the current structure and the building blocks of our Galaxy. Due to great advances in computational power as well as in massive stellar surveys we are now able to compare resolved stellar populations in simulations and in observations. In this thesis we use a number of approaches to relate the results of the two fields to each other. The major observational data set we refer to for this work comes from the Radial Velocity Experiment (RAVE), a massive spectroscopic stellar survey that observed almost half a million stars in the Galaxy. In a first study we use three different models of the Galaxy to generate synthetic stellar surveys that can be directly compared to the RAVE data. To do this we evaluate the RAVE selection function to great detail.Numerical simulations of galaxy formation and observational Galactic Astronomy are two fields of research that study the same objects from different perspectives. Simulations try to understand galaxies like our Milky Way from an evolutionary point of view while observers try to disentangle the current structure and the building blocks of our Galaxy. Due to great advances in computational power as well as in massive stellar surveys we are now able to compare resolved stellar populations in simulations and in observations. In this thesis we use a number of approaches to relate the results of the two fields to each other. The major observational data set we refer to for this work comes from the Radial Velocity Experiment (RAVE), a massive spectroscopic stellar survey that observed almost half a million stars in the Galaxy. In a first study we use three different models of the Galaxy to generate synthetic stellar surveys that can be directly compared to the RAVE data. To do this we evaluate the RAVE selection function to great detail. Among the Galaxy models is the widely used Besancon model that performs well when individual parameter distribution are considered, but fails when we study chemodynamic correlations. The other two models are based on distributions of mass particles instead of analytical distribution functions. This is the first time that such models are converted to the space of observables and are compared to a stellar survey. We show that these models can be competitive and in some aspects superior to analytic models, because of their self-consistent dynamic history. In the case of a full cosmological simulation of disk galaxy formation we can recover features in the synthetic survey that relate to the known issues of the model and hence proof that our technique is sensitive to the global structure of the model. We argue that the next generation of cosmological galaxy formation simulations will deliver valuable models for our Galaxy. Testing these models with our approach will provide a direct connection between stellar Galactic astronomy and physical cosmology. In the second part of the thesis we use a sample of high-velocity halo stars from the RAVE data to estimate the Galactic escape speed and the virial mass of the Milky Way. In the course of this study cosmological simulations of galaxy formation also play a crucial role. Here we use them to calibrate and extensively test our analysis technique. We find the local Galactic escape speed to be 533 (+54/-41) km/s (90% confidence). With this result in combination with a simple mass model of the Galaxy we then construct an estimate of the virial mass of the Galaxy. For the mass profile of the dark matter halo we use two extreme models, a pure Navarro, Frenk & White (NFW) profile and an adiabatically contracted NFW profile. When we use statistics on the concentration parameter of these profile taken from large dissipationless cosmological simulations we obtain an estimate of the virial mass that is almost independent of the choice of the halo profile. For the mass M_340 enclosed within R_340 = 180 kpc we find 1.3 (+0.4/-0.3) x 10^12 M_sun. This value is in very good agreement with a number of other mass estimates in the literature that are based on independent data sets and analysis techniques. In the last part of this thesis we investigate a new possible channel to generate a population of Hypervelocity stars (HVSs) that is observed in the stellar halo. Commonly, it is assumed that the velocities of these stars originate from an interaction with the super-massive black hole in the Galactic center. It was suggested recently that stars stripped-off a disrupted satellite galaxy could reach similar velocities and leave the Galaxy. Here we study in detail the kinematics of tidal debris stars to investigate the probability that the observed sample of HVSs could partly originate from such a galaxy collision. We use a suite of $N$-body simulations following the encounter of a satellite galaxy with its Milky Way-type host galaxy. We quantify the typical pattern in angular and phase space formed by the debris stars and develop a simple model that predicts the kinematics of stripped-off stars. We show that the distribution of orbital energies in the tidal debris has a typical form that can be described quite accurately by a simple function. The main parameters determining the maximum energy kick a tidal debris star can get is the initial mass of the satellite and only to a lower extent its orbit. Main contributors to an unbound stellar population created in this way are massive satellites (M_sat > 10^9 M_sun). The probability that the observed HVS population is significantly contaminated by tidal debris stars appears small in the light of our results.…
• Ein häufig verfolgter Ansatz Galaxien wie unsere Milchstraße besser zu verstehen, sind numerische Simulationen, d.h. das Nachvollziehen ihrer Entstehung und Entwicklung mit Hilfe von Computern. Dieses Vorgehen erlaubt das Betrachten solcher Objekte von einem evolutionären Standpunkt aus. Eine andere Herangehensweise verfolgt die Galaktische Astronomie, welche über Sternbeobachtungen den aktuellen Zustand der Milchstraße untersucht. Hier wird versucht, die konstitutiven Bestandteile unserer Galaxie zu erkennen, um dadurch ein besseres Verständnis ihrer Struktur zu erlangen. Die enorme Rechenleistung moderner Supercomputer und die Entwicklungssprünge im Bereich der digitalen Himmelsdurchmusterungen haben dazu geführt, dass inzwischen mit beiden Ansätzen vergleichbare Populationen von einzeln beobachtbaren Sternen studiert werden können. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten untersucht, die Ergebnisse dieser beiden astrophysikalischen Disziplinen, welche bislang weitgehend getrennt von einander betrieben wurden,Ein häufig verfolgter Ansatz Galaxien wie unsere Milchstraße besser zu verstehen, sind numerische Simulationen, d.h. das Nachvollziehen ihrer Entstehung und Entwicklung mit Hilfe von Computern. Dieses Vorgehen erlaubt das Betrachten solcher Objekte von einem evolutionären Standpunkt aus. Eine andere Herangehensweise verfolgt die Galaktische Astronomie, welche über Sternbeobachtungen den aktuellen Zustand der Milchstraße untersucht. Hier wird versucht, die konstitutiven Bestandteile unserer Galaxie zu erkennen, um dadurch ein besseres Verständnis ihrer Struktur zu erlangen. Die enorme Rechenleistung moderner Supercomputer und die Entwicklungssprünge im Bereich der digitalen Himmelsdurchmusterungen haben dazu geführt, dass inzwischen mit beiden Ansätzen vergleichbare Populationen von einzeln beobachtbaren Sternen studiert werden können. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten untersucht, die Ergebnisse dieser beiden astrophysikalischen Disziplinen, welche bislang weitgehend getrennt von einander betrieben wurden, sinnvoll zu kombinieren. Der überwiegende Teil der Beobachtungsdaten, die dabei verwendet werden, wurde im Zuge des Radial Velocity Experiments (RAVE) gesammelt, einer spektroskopischen Durchmusterung der Sterne fast des gesamten Südhimmels. Um die Daten des RAVE-Projekts statistisch auswerten zu können, musste zuerst die detaillierte Auswahlfunktion der Durchmusterung rekonstruiert werden, d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass ein Stern von RAVE beobachtet wurde, musste, in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Sterns, bestimmt werden. Der Hauptteil der Dissertation gliedert sich in drei weitgehend unabhängige Studien. Im ersten Teil wird die oben erwähnte Auswahlfunktion benutzt, um voraus zu sagen, was das RAVE Projekt beobachtet hätte, falls bestimmte theoretische Modelle unserer Milchstraße zu träfen. Auf diese Art und Weise umgehe ich das problematische Unterfangen, die Beobachtungsdaten zu einem physikalischen Modell zu verallgemeinern. Die Problematik hierbei liegt darin, dass astronomische Beobachtungen nicht direkt physikalisch relevante Größen, wie Massen oder Alter der Sterne, liefern, sondern scheinbare Helligkeiten oder Winkelpositionen. In dieser Studie wird der umgekehrte Weg beschritten und synthetische Beobachtungen aus den Modellen generiert. Untersucht wurden dabei sowohl klassische analytische Modelle als auch Modelle, die aus numerischen Simulationen resultieren. Letztere wurden zu ersten Mal überhaupt auf diese Art und Weise getestet und es zeigt sich, dass solche Modelle den klassischen in bestimmten Aspekten, die mit der Entwicklungsgeschichte der Milchstraße verknüpft sind, überlegen sind. Im zweiten Teil der Arbeit werden die RAVE-Daten benutzt um die Masse der Milchstraße, bzw. die Masse der in ihr enthaltenen dunklen Materie, ab zu schätzen. Zur Eichung der Analysemethode wird dabei wieder auf Ergebnisse von Simulationen zurück gegriffen, die die Entwicklung von ähnlichen Galaxien wie der Milchstraße verfolgt haben. Zuerst wird die lokale Entweichgeschwindigkeit, d.h. die Mindestgeschwindigkeit, die ein Körper benötigt, um unsere Galaxie zu verlassen, bestimmt. Die beste Abschätzung beträgt 533 (+54/-41) km/s. Anhand dieser Schätzung kann, in Kombination mit vereinfachten analytischen Modellen der Materieverteilung in unserer Galaxie, die Masse der Milchstraße innerhalb von 180 kpc auf 1,3 (+0,4/-0,3) x 10^12 Sonnenmassen bestimmt werden. Dieses Ergebnis bestätigt frühere unabhängige Massenschätzungen, die auf anderen Beobachtungsdaten und anderen Analysestrategien basieren. Im letzten Teil der Arbeit wird eine spezielle Population von Sternen im Außenbereich unserer Galaxie untersucht, sogenannte Hyperschnellläufersterne (HSS). Diese wurde in einer weiteren Himmelsdurchmusterung, dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), gefunden. Die Besonderheit dieser Sterne besteht in ihren extrem hohen Geschwindigkeiten oberhalb der Entweichgeschwindigkeit. Allgemein wird angenommen, dass die Sterne ihre Geschwindigkeiten im Zuge der Spaltung eines Doppelsternsystems durch Gezeitenkräfte nahe des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße erreichen. Vor Kurzem wurde jedoch ein alternatives Szenario vorgeschlagen. Nach diesem können solche Sterne auch während des Einfalls einer Satellitengalaxie auf die Milchstraße entstehen. Diese Hypothese wird anhand von numerischen Simulationen, die diese Situation nachbilden, getestet. Es zeigt sich, dass HSS auf diese Weise entstehen können, aber dass die beobachtete Population höchstwahrscheinlich einen anderen Ursprung hat.…