The theory group at the Department of Astronomy at the University of Concepcion has made an extensive study using numerical simulations to model the evolution of one of the ultra-faint dwarf spheroidal galaxies orbiting the Milky Way (MW). These very faint galaxies were detected through analysing the star catalogue data from the Sloan Digital Sky Survey, containing the information of about 60 million stars in the Northern hemisphere, by the Cambridge group of Belokurov et al. in 2007. In their paper 'Cats and Dogs, a Hair and a Hero' they describe the detection of 5 new ultra-faint dwarf galaxies in the vicinity of the MW and named them after the constellation they can be found in: Leo IV (and a lion is nothing but a very big cat), Canes Venatici II (the hunting dogs of Bootes the herdsman), Coma Berenice (the hair of Berenice II, queen of Egypt) and finally the well-known Greek hero Hercules.
In the years that followed other observational groups determined the intrinsic properties of the Hercules dwarf galaxy. They determined its total luminosity (measuring how many stars has this galaxy), its central brightness and its very elongated shape. Others determined the internal velocity dispersion (how fast are the stars moving around inside the Hercules galaxy) and found that the galaxy may have a gradient in radial velocity along its elongation. If this gradient is due to tidal interactions with the MW (i.e. the gravitational force of the MW is pulling the dwarf galaxy apart) one is able to determine a probable orbit of Hercules.
In our study we use this orbit and try to find a possible progenitor (how did the galaxy look in the past). To do this we place a possible progenitor model onto the position of Hercules in the past. Then we use numerical simulations to follow its evolution from the distant past (ten thousand million years) until today. A possible progenitor is found once the remnant of the galaxy today in our simulations matches all the observational data we have.
Normally such an endeavour is done by educated guesses of the initial parameters (two in our case: initial radius and initial mass). Then these parameters are altered by trial and error until a best fitting model is found. We embarked on a different road and scanned a wide parameter space of initial parameters and analysed how each observable quantity today depends on the initial conditions (the initial radius and mass). As a result we could recover fits for each observable, as functions of the two initial parameters. In an ideal world all these fits should intersect at one particular combination of the initial radius and mass and here we should find the best-matching progenitor for our dwarf galaxy. But, because of observational and numerical uncertainties, the fitting lines only intersect each other in a small region. In this region we found the best-matching model to reproduce Hercules today.
With our study we have proven that our new method to find a progenitor is very successful and we meanwhile have used the same method to find a best fitting model for Segue 1 (the fifth object in the original discovery paper but which was first believed to belong to a different class of objects, which we could now confirm with our models).
In our search for the best match to the data we encountered a severe problem. Hercules has a very thin elongated shape and we were unsuccessful to match this strong elongation at the same time as the angular orientation in the sky. The more destroyed our final models got, by the gravitational forces of the MW, the more elongated (along the orbit, i.e. with the correct angular orientation) our models are. But this trend only holds up to a point in which the very destroyed remnants flip their angular orientation to be almost perpendicular to the orientation of the orbit. And only then we reach the correct elongation.
The reason for this flip can be explained by the theory of how these destructive elongations (called tidal tails) are produced. At each passage of the closest point (with respect to the centre of the MW) of a dwarf galaxy's orbit, the satellite will lose stars due to the gravitational pull of the MW. These stars escape along a line oriented towards and away from the centre of the MW. Only with time, i.e. until the next time the satellite reaches its furthest distance to the MW, these tails align themselves along the orbital path. In our case, Hercules had already had multiple closest passages and has not yet completed the next passage through the furthest point. Therefore, we see something, we call the 'X-wing effect'. Like the rebel fighter ships from Star Wars, four 'wings' emerge from the satellite - two 'old' tails and two 'new' ones. The two new tails have not yet had the chance to align completely with the older ones. Normally, the 'old' tails outshine the 'new' ones and we see an elongation of Hercules along its orbit. But in the final stages of destruction, i.e. the destruction we need to explain the elongation, the 'new' tails of our models will outshine the 'old' ones, causing the flip in the visible orientation.
The lack of success to match elongation and orientation at the same
time can only be explained by those possibilities:
(1) the orbit which was determined for Hercules is wrong
(2) the measured elongation is wrong
(3) the elongation and the gradient in velocities is not due to forces
of the MW but some intrinsic properties of a dwarf galaxy which is
heavily shielded by a dark matter halo.
If the third possibility is the correct one, then we have no chance to deduce the orbit of Hercules. Its orbital path can be oriented in any possible direction.
Nevertheless, as our group has found suitable models to explain such strange intrinsic features without using external forces in the past, we still have an idea about how our hero in space looked like when he was young.
This article is based on a refereed publication in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: 'Life and death of a hero – Lessons learned from modeling the dwarf spheroidal Hercules: an incorrect orbit?' by M. Blana, M. Fellhauer, R.Smith, G.N. Candlish, R. Cohen and J.P. Farias.
Vida y muerte de un héroe -
o lo que podemos aprender de modelar el
galaxia enana esferoidal Hércules.
El grupo de teoría en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción ha realizado un amplio estudio mediante simulaciones numéricas para modelar la evolución de una de las galaxias enanas esferoidal ultra-débil que orbitan alrededor de la Vía Láctea (MW). Estas galaxias muy débiles eran detectado mediante el análisis de los datos del catálogo de estrellas de la Sloan Digital Sky Survey, que contiene la información de alrededor de 60 millones de estrellas en el hemisferio norte, por el grupo en Cambridge de Belokurov et al. en 2007. En 'Los gatos y los perros, un pelo y un héroe' su papel que describen la detección de 5 nuevas galaxias enanas ultra-débiles en la proximidades del MW y los nombraron después de la constelación que pueden ser encontrado en: Leo IV (y un león no es más que un gran gato), Canes Venatici II (los perros de caza de Bootes el pastor), Coma Berenice (el pelo de Berenice II, reina de Egipto) y, finalmente, el bien conocido Héroe griego Hércules.
En los años que siguieron otros grupos de observación determinaron las propiedades intrínsecas de la galaxia enana Hércules. Determinaron su luminosidad total (que mide cuántas estrellas tiene esta galaxia), su brillo central y su forma muy alargada. Otros determinaron la dispersión de velocidad interna (lo rápido que se mueven las estrellas dentro de la galaxia Hércules) y encontraron que la galaxia puede tener un gradiente de la velocidad radial a lo largo de su alargamiento. Si este gradiente es debido a las interacciones de marea con la MW (es decir, la fuerza de la gravedad de la MW está tirando de la galaxia enana aparte) uno es capaz de determinar un órbita probable de Hércules.
En nuestro estudio utilizamos esta órbita y tratar de encontrar una posible precursor (¿Cómo surgió la galaxia se parece en el pasado?). Para ello, ponemos un posible modelo precursor en la posición de Hercules en el pasado. Luego usamos simulaciones numéricas para seguir su evolución desde el pasado lejano (diez mil millones de años) hasta la actualidad. Un precursor posible se encuentra, una vez que el resto de la galaxia hoy en día, en nuestra simulaciones, parece que todos los datos de observación que tenemos.
En nuestra búsqueda de la mejor combinación de los datos nos encontramos con un problema grave. Hércules tiene una forma muy delgada alargada y estábamos sin éxito para que coincida con esta fuerte alargamiento en el mismo tiempo que la orientación angular en el cielo. Si nuestros modelos están más destruidas por las fuerzas gravitacionales de la MW, se vuelven más alargada (a lo largo de la órbita, es decir, con la orientación angular correcta). Pero esta tendencia sólo puede contener hasta un punto en el que los restos muy destruidos vuelven su orientación angular para ser casi perpendicular a la orientación de la órbita. Sólo entonces se llega a la elongación correcta.
La razón de este giro puede ser explicado por la teoría de cómo se producen estos elongaciones destructivos (llamadas colas de marea). En cada paso del punto más cercano (con respecto al centro de la MW) de la órbita de una galaxia enana, el satélite perderá estrellas debido a la atracción gravitatoria de la MW. Estas estrellas escapan a lo largo de una línea orientada hacia y desde el centro de la MW. Sólo con el tiempo, la próxima vez que el satélite alcanza su mayor distancia a la MW, estas colas se alinean a lo largo de la trayectoria orbital. En nuestro caso, Hércules ya había tenido varios pasajes más cercanos y sin embargo no ha completado el siguiente paso por el punto más lejano. Por lo tanto, vemos algo, que llamamos el 'efecto X-Wing'. Al igual que las naves de combate rebelde de Star Wars, cuatro 'alas' emergen desde el satélite - dos colas "antiguas" y los dos "nuevas". Las dos colas nuevas aún no han tenido la oportunidad de alinearse completamente con los mayores. Normalmente, las colas "antiguas" son más brillante que los "nuevas" y vemos un alargamiento de Hércules a lo largo de su órbita. Sin embargo, en las etapas finales de la destrucción, es decir, la destrucción que necesitamos para explicar el alargamiento, las colas "nuevas" de nuestros modelos serán más brillante que las "antiguas", provocando el giro en la orientación visible.
La falta de éxito para que coincida con el alargamiento y la
orientación en el mismo tiempo sólo se puede explicar por esas
posibilidades:
(1) La órbita, el cual fue determinado por Hércules, que está mal.
(2) El alargamiento medido es erróneo.
(3) El alargamiento y el gradiente de las velocidades no es debido a
las fuerzas de la MW. Son propiedades intrínsecas de una galaxia enana
que está fuertemente protegido por un halo de materia oscura.
Si la tercera posibilidad es la correcta, entonces no tenemos ninguna posibilidad de deducir la órbita de Hércules. Su trayectoria orbital puede orientarse en cualquier dirección posible.
Sin embargo, como nuestro grupo ha encontrado modelos adecuados para explicar esas características intrínsecas extrañas sin utilizar fuerzas externas en el pasado, todavía tenemos una idea acerca de cómo nuestro héroe en el espacio parecía cuando él era joven.
Este artículo se basa en una publicación arbitrada en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: 'Life and death of a hero – Lessons learned from modeling the dwarf spheroidal Hercules: an incorrect orbit?' por M. Blana, M. Fellhauer, R.Smith, G.N. Candlish, R. Cohen y J. P. Farias.