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Reading the Chemical Evolution of Stellar Populations in Dwarf Galaxies

Hendricks, Benjamin Thomas

German Title: Entschlüsselung der Evolution von Zwerggalaxien mit Hilfe chemischer Fingerabdrücke

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Abstract

In this thesis I present observations and analyses addressed to understand the individual evolution of dwarf galaxies and the interdependency with their local environment. My study focuses on the Fornax dwarf spheroidal galaxy, which is the most massive galaxy of its type in the Local Group, hosting stars with a broad range in age and metallicity. Additionally, it is the only intact dwarf spheroidal with an own globular cluster system. Therefore, it provides a superb laboratory to gain insights about the formation and chemical enrichment processes of baryonic matter in Galactic halos. In particular, I have used individual alpha-element abundances obtained from high-resolution spectra to characterize, for the first time, the chemical evolution of Fornax over its entire age and find a surprisingly low early chemical enrichment efficiency with respect to other dwarf galaxies. Comparison with chemical evolution models show that Fornax must have experienced a systematically increasing star formation efficiency with time in order to bring the observations in agreement with the model predictions. One emerging evolutionary scenario is that Fornax experienced major accretion events in the past, so that its current properties are not indicative of the chemical enrichment environment at ancient times. A similar chemical analysis for the globular cluster H4 and nearby field stars in Fornax reveals, that H4 is depleted in all analyzed alpha-elements and falls on top of the observed field star [alpha/Fe] sequence, while its abundance pattern disagrees with the properties of Milky Way halo field stars and clusters. Thus, I propose a chemical enrichment coupling of the globular cluster population and field stars in Fornax. This finding provides tight constraints on the origin of alpha-depleted globular clusters in the Milky Way and will enable the chemical enrichment characterization of distant galaxies from integrated-light cluster analysis where field stars are too faint for detailed chemical analysis.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit werden hochaufgelöste Spektren von Sternen in Zwerggalaxien analysiert, mit dem Ziel die Evolution dieser Galaxien und deren Interaktion mit ihrer direkten galaktischen Umgebung zu verstehen. Im Mittelpunkt der Analyse steht Fornax, eines der massereichsten Systeme seiner Art, mit einer komplexen Population an Feldsternen und einem eigenen System an Kugelsternhaufen. Diese Konstellation bietet ideale Voraussetzungen, um entscheidende Erkenntnisse über die chemische Entwicklung von Sternen und Sternhaufen in Galaxien zu sammeln. Hierzu wurden im Speziellen chemische Häufigkeiten aus der Alpha-Elementgruppe ermittelt. Daraus konnte erstmalig die chemische Entwicklung von Fornax über dessen gesamte Entwicklungsgeschichte rekonstruiert werden. Das Resultat der Untersuchung ergab eine überraschend ineffektive chemische Entwicklung zu frühen Zeiten im Vergleich zu Galaxien ähnlicher Konstitution. Ein Vergleich mit Modellen für chemische Anreicherung ergab, dass eine stetig anwachsende Anreicherungseffizienz nötig ist, um die beobachteten Charakteristiken in Fornax mit Modellvorhersagen in Einklang zu bringen. Ein sich daraus ergebendes Entwicklungsszenario ist die Verschmelzung von mehreren Sub-Fragmenten, deren individuelle chemische Entwicklung zunächst unter anderen Bedingungen erfolgen konnte als die jetzige Galaxie. Des weiteren wurde die chemische Anreicherungscharakteristik von Kugelsternhaufen in Fornax untersucht. Ich konnte zeigen, dass deren chemischer Fingerabdruck mit dem der Muttergalaxie übereinstimmt, und nicht dem Muster von Sternhaufen oder Feldsternen in der Milchstrasse folgt. Die daraus abgeleitete Schlussfolgerung, dass Kugelsternhaufen als Marker für die chemische Entwicklung ihrer Muttergalaxie verwendet werden können, ermöglicht neue, detaillierte Erkenntnisse über die Herkunft von Kugelsternhaufen in der Milchstrasse, und kann darüber hinaus als Diagnostik in weit entfernten Galaxien verwendet werden, deren individuelle Sterne zu leuchtschwach sind.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Koch, PD Dr. Andreas
Date of thesis defense: 11 November 2015
Date Deposited: 18 Nov 2015 13:30
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
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