Data-driven diagnosis of the Milky Way disk dynamics
Uloženo v:
| Název: | Data-driven diagnosis of the Milky Way disk dynamics |
|---|---|
| Autoři: | Bernet Martí, Marcel |
| Přispěvatelé: | University/Department: Universitat de Barcelona. Departament de Física Quàntica i Astrofísica |
| Thesis Advisors: | Antoja Castelltort, M. Teresa, Ramos, Pau, Manrique Oliva, Alberto |
| Zdroj: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Informace o vydavateli: | Universitat de Barcelona, 2025. |
| Rok vydání: | 2025 |
| Fyzický popis: | 144 p. |
| Témata: | Galàxies, Galaxias, Galaxies, Estels, Estrellas, Stars, Gravitació, Gravitación, Gravitation, Ciències Experimentals i Matemàtiques |
| Popis: | Programa de Doctorat en Física |
| Description (Translated): | [eng] The Milky Way (MW) galaxy is a complex dynamic system that, thanks to the Gaia mission, is now understood to show significant departures from dynamical equilibrium. In galactic dynamics, we study how the mass distribution of the galaxy shapes the stellar motions, and how these motions - our observables - reveal the structure and history of the Galaxy. The Gaia mission has provided an unprecedented high-precision map of stellar positions and velocities, revolutionizing our field of research by showing detailed kinematic substructures that contain the dynamical information of our Galaxy. This thesis investigates the dynamics of the MW disc by analysing Gaia observational data, and using state-of-the-art numerical simulations and advanced data analysis methods. We began by studying substructures in the Gaia data using a method based on the wavelet transform and graph theory algorithms. This method allowed for a blind search and detailed characterization of kinematic substructures, some of which are usually referred to as moving groups, across extended regions of the disc in the full 6D phase-space. We applied it to Gaia EDR3 data and found that their morphology and spatial evolution across extended regions of the disc displayed a complexity not expected from simple dynamical principles. Some of our findings, such as deviations from constant angular momentum lines in the radial direction and vertical asymmetries for certain groups, suggest a strong influence from bar resonances and possibly incomplete vertical mixing. We then applied this methodology to Gaia DR3 data, and quantified the radial and azimuthal gradients in velocity of prominent moving groups. For Hercules, a key feature often linked to the bar, we measured a radial gradient of 28.1±2.8kms−1 kpc−1 and an azimuthal gradient of −0.63±0.13kms−1deg−1. Comparing these measurements with simple galaxy models including a bar revealed that such models cannot reproduce the observed radial gradient. This strong quantitative constraint indicates that understanding the kinematic substructure of the Milky Way disc requires more complex models than a fixed-pattern-speed bar alone; contributions from spiral arms, a secularly evolving bar (slowing down), a more complex potential, or external perturbations are likely necessary. Motivated by the observed complexity and the need to account for multiple components, we used simulations to show that stellar spiral arms induce a corresponding spiral structure within the dark matter (DM) halo. These DM spiral arms are consistently found across various types of simulations, from idealized test-particle models to full N-body and cosmological hydrodynamical simulations, confirming their ubiquitous presence. Our analysis confirmed that they form through the forced response of the halo to the stellar spiral potential. We quantified the strength of the DM spiral, finding it to be approximately 10% that of the stellar spiral, showed that it had distinct kinematic signatures compared to the stellar component, and that the DM spiral are consistently trailing the stellar arms, typically by about 10◦ in these simulations. These findings highlight a significant dynamic coupling between the stellar disk and the DM halo. Finally, we explored the dynamics of tidally induced spiral arms, that is, those that arise from interactions with satellite galaxies like the Sagittarius dwarf galaxy (Sgr). We combined numerical simulations with a data-driven equation discovery technique, Sparse Identification of Non-linear Dynamics (SINDy), to empirically identify the partial differential equations (PDEs) that govern the evolution of these spiral arms and their corresponding features in phase-space. This approach successfully recovered a known linear PDE for small perturbations and discovered a simple, previously unknown non-linear PDE for larger perturbations. We then analytically solved these discovered equations, obtaining explicit descriptions of the properties of the generated waves, such as their amplitude and pattern speed, and their shape and evolution in phase-space. Comparing the predictions derived from this analytical framework, with the Lz − VR waves in the Gaia data, we found that a single-impact scenario is inconsistent with the observed amplitude ratios of the resulting waves. This suggests that the actual origin of these features is more complex, likely involving multiple satellite passages or coupled effects from the bar and/or spiral arms from different origins. This work demonstrates the power of merging data-driven discovery with classical analytical theory to create simple, insightful dynamic models applicable to observations. By deriving quantitative constraints from high-precision observations, identifying and characterizing phenomena involving complex coupling like DM spiral arms, and developing novel methods that bridge empirical discovery with theoretical analysis, this thesis contributes to solving the puzzle of the dynamical history of our Galaxy. [cat] La Via Làctia (VL) és un sistema dinàmic complex, del que, gràcies als descobriments recents derivats de les dades del satèl·lit Europeu Gaia, sabem que no està en equilibri dinàmic. Al camp de la dinàmica galàctica, estudiem com la distribució de massa de la galàxia dicta els moviments estel·lars, i com aquests moviments —els nostres observables— revelen l’estructura i la història de la Galàxia. La missió Gaia ha proporcionat un mapa d’una precisió sense precedents de les posicions i velocitats estel·lars, revolucionant el nostre camp de recerca al mostrar-nos un nivell de detall en les subestructures cinemàtiques que ens han permès indagar en profunditat el passat de la nostra Galàxia. Aquesta tesi investiga la dinàmica del disc de la VL analitzant les dades observacionals de Gaia i fent servir simulacions numèriques d’última generació i mètodes avançats d’anàlisi de dades. Comencem estudiant les subestructures cinemàtiques mitjançant un mètode que utilitza la transformada wavelet i algorismes de teoria de grafs. Aquest mètode permet una cerca automàtica i una caracterització detallada d’aquestes subestructures a través de regions extenses del disc i en l’espai de fase de 6 dimensions. Aplicant-lo a les dades de l’EDR3 de Gaia, trobem que la seva morfologia i evolució espacial són més complexes del que prediuen models dinàmics senzills. Alguns dels nostres resultats, com ara les desviacions respecte a línies de moment angular constant en la direcció radial i les asimetries verticals en certs grups, suggereixen una forta influència de les ressonàncies de la barra i, possiblement, un mesclat de fase vertical incomplet. Posteriorment, hem refinat i estès aquesta metodologia per aplicar-la a les dades de DR3 de Gaia, fet que ens ha permès quantificar els gradients radials i azimutals de velocitat de les estructures més destacades. Per a Hèrcules, un grup clau sovint associat a la barra, mesurem un gradient radial de 28.1 ± 2.8kms−1 kpc−1 i un gradient azimutal de −0.63 ± 0.13kms−1 grau−1. Quan comparem el gradient radial observat amb models galàctics senzills que inclouen una barra de rotació fixa observem que no són consistents. Aquesta restricció quantitativa indica que la subestructura cinemàtica del disc de la VL està modelada per processos dinàmics més complexos que els generats per models que contemplen u únic component no-axisimetric simple. Concloem, doncs, que cal avançar cap a models més realistes que puguin tenir en compte la interacció amb altres components, com els braços espirals, l’halo de matèria fosca (el qual provoca que la barra perdi velocitat de rotació) o amb galàxies satèl·lit que actuen com a pertorbacions externes en el disc. Motivats per la complexitat observada i la necessitat de tenir diversos components en compte, explorem la importància de les interaccions entre alguns dels components galàctics. Fem servir simulacions per mostrar que els braços espirals estel·lars generen una estructura espiral a l’halo de matèria fosca (DM). Detectem aquests ‘braços espirals foscos’ de manera consistent en diversos tipus de simulacions, des de models idealitzats fins a simulacions hidrodinàmiques cosmològiques, que confirmen la seva ubiqüitat. La nostra anàlisi confirma que es formen per la ‘resposta forçada’ de l’halo al potencial espiral estel·lar. Quantifiquem l’amplitud dels braços foscos, i trobem que és aproximadament un 10% de la dels braços espirals estel·lars. També mostrem que tenen un senyal cinemàtic diferent del de la component estel·lar, i que en totes les simulacions, els braços foscos segueixen els braços estel·lars amb un desfasament d’uns 10◦. Aquests resultats il·lustren un acoblament dinàmic significatiu entre el disc estel·lar i l’halo de matèria fosca. Finalment, explorem la dinàmica dels braços espirals induïts per forces de marea, que sorgeixen de les interaccions amb galàxies satèl·lit, com la galàxia nana de Sagitari (Sgr). Combinem simulacions numèriques amb una tècnica de descobriment d’equacions basada en dades, SINDy, per identificar empíricament les equacions en derivades parcials (EDPs) que governen l’evolució d’aquestes estructures espirals en l’espai de fases. Aquest mètode recupera amb èxit una EDP lineal ja coneguda per a petites pertorbacions i descobreix una EDP no lineal senzilla, fins ara desconeguda, per a pertorbacions més grans amb perfils específics. Després, resolem analíticament aquestes equacions trobades, obtenint descripcions explícites de les propietats de les ones generades, com ara l’amplitud i la velocitat de rotació, i la seva forma i evolució en l’espai de fases. Comparant les prediccions derivades d’aquest marc analític amb les ones Lz–VR observades en les dades de Gaia, trobem que l’escenari d’un impacte únic és incompatible amb les ràtios d’amplitud que prediu el nostre model. Això suggereix que l’origen real d’aquestes ones és més complex, i que probablement implica múltiples impactes de satèl·lits o efectes combinats de la barra i/o altres tipus de braços espirals. Aquest treball demostra el poder de fusionar el descobriment basat en dades amb la teoria analítica clàssica per generar models dinàmics senzills i intuïtius, aplicables a les observacions. Derivant els límits quantitatius per a models simples a partir de les observacions d’alta precisió de Gaia, identificant i caracteritzant fenòmens complexos d’acoblament com ara els braços espirals foscos, i desenvolupant nous mètodes que connecten el descobriment empíric amb l’anàlisi teòrica, aquesta tesi contribueix a desxifrar la història dinàmica de la nostra Galàxia. |
| Druh dokumentu: | Dissertation/Thesis |
| Popis souboru: | application/pdf |
| Jazyk: | English |
| Přístupová URL adresa: | http://hdl.handle.net/10803/696484 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ |
| Přístupové číslo: | edstdx.10803.696484 |
| Databáze: | TDX |
| Abstrakt: | Programa de Doctorat en Física |
|---|