German Title: Milchstraße und M31-Analoga: Erkenntnisse aus der kosmologischen Simulation TNG50

Preview

PDF, English - main document Download (22MB) | Lizenz: Milky Way and M31 analogues: insights from the cosmological simulation TNG50 by Sotillo Ramos, Diego underlies the terms of Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0

Abstract

In this thesis, I study key facets of Milky Way- and Andromeda-like (MW/M31-like) galaxies’ formation, evolution and structure in the cosmological context. To this aim, I use TNG50, the highest resolution run of the cutting-edge state-of-the-art IllustrisTNG suite of cosmological mangeto-hydrodynamical simulations. TNG50 simulates 198 MW/M31 analogs, in an unprecedented blend of high numerical resolution and sample size. I study the impact of major mergers on galaxy stellar disks, revealing that a significant fraction of the analyzed galaxies undergo a recent major merger (in the last 5 billion years) and are still disky at z = 0. Among these galaxies, for two-thirds of the cases, the merger destroys the disk, but a new one is able to form until z = 0. In the remaining galaxies, the disk survives the merger. I analyze and quantify stellar disk flaring, i.e., the increase of vertical stellar disk height with galactocentric distance, showing a great diversity of types and values across the galaxies of the sample. But it is a complex phenomenon, difficult to predict for an individual galaxy according to its z = 0 global structural properties or merger history. Finally, I also investigate the presence of very metal-poor stars in the stellar disks and other morphological components ofMW-like galaxies, yielding valuable insights into their origin and development: according to TNG50, there is a non-negligible fraction of these stars that populate the disk, and that are also very old, challenging therefore the notion that the stellar halo is the oldest component of the MW. Therefore, this thesis leverages the power of numerical tools like TNG50 to uncover pivotal aspects of the evolution and structure of MW/M31-like galaxies as well as their formation, providing valuable insights that should be tested with future observational studies.

Translation of abstract (German)

In dieser Dissertation untersuche ich wesentliche Aspekte der Entstehung, Evolution und Struktur von Galaxien, die der Milchstraße und Andromeda ähneln (MW/M31-ähnliche Galaxien), im kosmologischen Kontext. Zu diesem Zweck verwende ich TNG50, den höchstaufgelösten Lauf der modernen IllustrisTNG-Suite für kosmologische Magnetohydrodynamik- Simulationen. TNG50 simuliert 198 MW/M31-Analoga in einer beispiellosenKombination aus hoher numerischer Auflösung und Stichprobengröße. Ich untersuche die Auswirkungen von größeren Verschmelzungen auf die stellaren Scheiben von Galaxien und zeige auf, dass ein erheblicher Anteil der analysierten Galaxien eine jüngste größere Verschmelzung (in den letzten 5 Milliarden Jahren) durchläuft und dennoch bei z = 0 eine scheibenförmige Struktur aufweist. In zwei Dritteln der Fälle zerstört die Verschmelzung jedoch die Scheibe, aber eine neue kann sich bis z = 0 bilden. Bei den übrigen Galaxien überlebt die stellare Scheibe die Verschmelzung. Des Weiteren analysiere und quantifiziere ich das Aufwölben stellaren Scheiben, d.h. die Zunahme der vertikalen Höhe der stellaren Scheibe in Abhängigkeit vom galaktischen Abstand, und zeige eine große Vielfalt von Typen und Werten innerhalb der Galaxien der Stichprobe. Es handelt sich jedoch um ein komplexes Phänomen, das sich schwer für eine einzelne Galaxie anhand ihrer globalen strukturellen Eigenschaften bei z = 0 oder ihrer Verschmelzungsgeschichte vorhersagen lässt. Schließlich untersuche ich auch das Vorhandensein von sehr metallarmen Sternen in den stellaren Scheiben und anderen morphologischen Komponenten von MW-ähnlichen Galaxien und gewinne wertvolle Erkenntnisse über ihren Ursprung und ihre Entwicklung. Gemäß TNG50 gibt es einen nicht unerheblichen Anteil dieser Sterne, die die Scheibe bevölkern und ebenfalls sehr alt sind, was die Vorstellung herausfordert, dass der stellare Halo das älteste Element der Milchstraße ist. Daher nutzt diese Dissertation die Leistung numerischer Werkzeuge wie TNG50, um entscheidende Aspekte der Evolution und Struktur von MW/M31-ähnlichen Galaxien sowie ihrer Entstehung aufzudecken und wertvolle Erkenntnisse zu liefern, die in zukünftigen Beobachtungsstudien getestet werden sollten.