ASTRO&310:&& &&&&Galac/c&&&Extragalac/c ...disrupted&Sagitarius&dwarf&galaxy,&...

50
ASTRO 310: Galac/c & Extragalac/c Astronomy Prof. Jeff Kenney Class 15 October 24, 2018 Tidal Interac/ons for Galaxies & Star Clusters

Transcript of ASTRO&310:&& &&&&Galac/c&&&Extragalac/c ...disrupted&Sagitarius&dwarf&galaxy,&...

ASTRO  310:            Galac/c  &  Extragalac/c  Astronomy              

Prof.  Jeff  Kenney    

Class  15            October  24,  2018    Tidal  Interac/ons  for  Galaxies  &  Star  Clusters  

/mescales  of  Local  Group  a  small  loose  group  of  galaxies  

calculate  /mescales  ..but  now  “par/cles”  are  galaxies  not  stars!  N  =  3  (#  of  large  galaxies)  R  =  0.5  Mpc    n  =  10  gal  Mpc-­‐3  σ  =  200  km/s  

tcross  =  2x109  yr  <  tH  so  group  should  be  virialized  trelax  =          109  yr  <    tH  so  2-­‐body  encounters  have  changed  orbits    tcoll  =            1010  yr  ~  tH  so  collisions  &  mergers  important  in  groups    all  $mescales  short  so  galaxy-­‐galaxy  gravita$onal  encounters  (both  direct  collisions  &  near  misses)  important  in  galaxy  groups    

Tidal  forces  

Gravita/onal  force  ac/ng  on  extended  body  

If  we  subtract  the  force  at  the  center  of  mass,  we  get  the    differen$al  gravita$onal  force  =  $dal  force      To  observer  at  center,    the  near  &  far  sides  are  experiencing  accelera/ons  which  differ  from  its  own  

Tidal  disrup/on  of  dwarf  galaxy  companion  of  M31  

Tidal  arms  

NGC  205  

Interac/ng  pair  of  large  

spiral  galaxies  

Tidal  arms  

Tidal  tails  of  halo  globular  cluster  

Palomar  5  

6  

Palomar  5                                Op/cal  image  

Stellar  /dal  tails  extend  from  Pal  5  

The  outer  parts  of  Pal  5  are  being    /dally  disrupted  by  gravita/onal    force  of  MW  as  Pal  5  orbits  MW  

effects  of  /dal  interac/ons  

•  removal  of  outer  par/cles  by  $dal  stripping  

•  add  KE  to  unstripped  par/cles  by  $dal  hea$ng  

•  trigger  forma/on  of  bars  and  2-­‐arm  spirals  (both  m=2  modes)  in  disks  of  galaxies  

Tidal  forces  

Gravita/onal  force  ac/ng  on  extended  body  

If  we  subtract  the  force  at  the  center  of  mass,  we  get  the    differen$al  gravita$onal  force  =  $dal  force      To  observer  at  center,    the  near  &  far  sides  are  experiencing  accelera/ons  which  differ  from  its  own  

examine  gravita/onal  force  exerted  by  companion  galaxy  M  (~point  source)  on  3  stars  within  extended  galaxy  m  

M  

companion  galaxy  M  

extended    galaxy  m  

aN   aC   aF  R  

r r  

gravita)onal  accelera)on  on  3  stars:  NEAR                aN  =  GM/(R-­‐r)2  CENTER        aC  =  GM/R2  FAR                      aF  =  GM/(R+r)2  

view  of  differen/al  accelera/on  (/dal  accelera/on)  across  extended  galaxy    

M  

companion  galaxy  M  

extended    galaxy  m  

ΔaN   ΔaF  R  

r r  

)dal  accelera)on  on  2  stars:  NEAR      ΔaN    =  aN  -­‐  aC  ≅  +  aC  (2r/R)  =  +2GMr/R3    FAR            ΔaF      =  aF  -­‐  aC  ≅    -­‐  aC  (2r/R)  =  -­‐  2GMr/R3  

toward  companion  

away  from  companion  

Q:  Why  does  the  earth  orbit  the  Sun,  but  the  /dal  force  on  the  earth  is  greater  from  the  Moon?  

Tidal  force  falls  off  as  R-­‐3  

•  Gravita/onal  force  on  earth  from  Sun  greater  than  from  Moon  (since  Gravita/onal  force  falls  off  as  R-­‐2  )      …  but…  

 •  Tidal  force  on  earth  from  Moon  greater  than  from  Sun  (since  Tidal  force  falls  off  as  R-­‐3)  

QUESTION  •  The  water  /des  on  the  2  sides  of  the  earth  are  the  same  size,  but  the  /dal  arms  in  interac/ng  galaxies  are  generally  different  sizes  –  WHY?  

Lunar  /des  on  earth  

r   R  

r/R<<1  for  earth-­‐moon  system  (r/R  =  1/30)  so  the  2  /dal  bulges  on  the  earth  are  symmetric  

actual  photo  of  earth  &  moon  taken  by  OSIRIS-­‐REX  spacecran  

Tidal  arms  in  interac/ng  galaxy  

pair  Arp84  

r/R~1  for  these  interac/ng  galaxies  so  the  2  /dal  arms  of  the  northern  galaxy  are  NOT  symmetric  

R   r  

QUESTION  &  ANSWER  

•  The  water  /des  on  the  2  sides  of  the  earth  are  the  same  size,  but  the  /dal  arms  in  interac/ng  galaxies  are  generally  different  sizes  –  WHY?  

 •  In  many  galaxy  interac/ons  r/R~1  NOT  r/R<<1  (i.e.,  distance  at  closest  approach  is  comparable  to  galaxy  size)  so  2  /dal  tails  are  produced  but  they  are  not  symmetric  

Tidal  stripping  

Radial  distribu/on  of  starlight  in  globular  cluster  M92  

Sharp  trunca/on  at  “/dal  radius”  due  to  /dal  interac/on  with  Milky  Way  Galaxy  

Tidal    radius  

when  is  material  /dally  stripped  from  object  m?  

r  R  

M  m  

Tidal  radius  can  a  mass  hold  it  itself  together  by  self-­‐gravity  against  5dal  force  across  it  exerted  by  the  gravity  from  another  body?  

•  Is  not  where  the  gravita/onal  force  from  m  and  M  are  equal  

 •  Is  where  gravita/onal  force  from  m  (  Fm  )  is  equal  to  the  difference  in  gravita$onal  force  from  M  at  center  and  ‘edge’  of  m  (  ΔFMce  )  

ΔFMce  Fm  

r/dal  

m  M  

when  is  material  /dally  stripped  from  object  m?  

r  R  

M  m  

masses  must  be  orbi/ng  but  first  we  will  ignore  that  fact    

when  is  material  /dally  stripped  from  object  m?  

r  R  

M  m  

masses  must  be  orbi/ng  but  first  we  will  ignore  that  fact    

When  is  material  /dally  stripped  from  an  object?  

1.  Rough  approxima/on:  ignore  the  fact  that  the  masses  M  and  m  must  be  orbi/ng  each  other.  i.e.,  ignore  centrifugal  forces                                                                          r/dal  =  (m/2M)1/3R  

stuff  at  distance  r  from  center  of  m  will  be  stripped  if  r>r/dal  

When  is  material  /dally  stripped  from  an  object?  

1.  Rough  approxima/on:  ignore  the  fact  that  the  masses  M  and  m  must  be  orbi/ng  each  other.  i.e.,  ignore  centrifugal  forces                                                                          r/dal  =  (m/2M)1/3R    Q:  When  are  /dal  impacts  on  m  large?  

When  is  material  /dally  stripped  from  an  object?  

1.  Rough  approxima/on:  ignore  the  fact  that  the  masses  M  and  m  must  be  orbi/ng  each  other.  i.e.,  ignore  centrifugal  forces                                                                          r/dal  =  (m/2M)1/3R    Q:  When  are  /dal  impacts  on  m  large?  A:  when  r/dal  is  small  -­‐>          when  R  small,  m  small,  M  large  -­‐>          close  interac$on  &  big  difference  in  mass  

When  is  material  /dally  stripped  from  an  object?  

1.  Rough  approxima/on:  ignore  the  fact  that  the  masses  M  and  m  must  be  orbi/ng  each  other.  i.e.,  ignore  centrifugal  forces                                                                          r/dal  =  (m/2M)1/3R  

2.  Beter  approxima/on:  take  into  account  centrifugal  force  associated  with  circular  orbit  of  m  around  M                                                                        r/dal  =  (m/3M+m)1/3R                                                        [deriva/on  given  in  S&G,  with  r/dal  -­‐>  rJ  ,  R  -­‐>  D  ]    

 

When  is  material  /dally  stripped  from  an  object?  

1.  Rough  approxima/on:  ignore  the  fact  that  the  masses  M  and  m  must  be  orbi/ng  each  other.  i.e.,  ignore  centrifugal  forces                                                                          r/dal  =  (m/2M)1/3R  

2.  Beter  approxima/on:  take  into  account  centrifugal  force  associated  with  circular  orbit  of  m  around  M                                                                        r/dal  =  (m/3M+m)1/3R                                                        [deriva/on  given  in  S&G,  with  r/dal  -­‐>  rJ  ,  R  -­‐>  D  ]    

3.  No  approxima/on:  the  orbits  of  most  galaxies  and  star  clusters  are  not  circular.  Solu/on  is  complex.  Effects  largely  determined  by  distance  of  closest  approach.  Get  rough  solu/on  by  using  #2,  with  R=  distance  of  closest  approach    

Interes/ng  behaviors  of  /dal  radius  5dal  stripping  as  runaway  process…  •  mass  m  of  stripped  objects  drops  as  it  gets  stripped,  so  /dal  radius  r/dal  shrinks  –  could  be  runaway  process          r/dal  =  (m/2M)1/3R  

 is  it  stripped  or  not??  …  for  elongated  orbit  …  •  /dal  radius  shrinks  as  object  gets  closer  to  center  (R  gets  smaller),  so  more  stuff  stripped  …  

•  but  /dal  radius  expands  as  object  gets  further  from  center  (R  gets  larger),  so  stuff  can  get  re-­‐captured  !!  

changes  in  /dal  radius  on  elongated  orbits  

R  R  

R  

rt  

rt  

rt  

orbit  direc/on  large  /dal  radius  rt  when  far  away  (large  R)  

/dal  radius  becomes  large  again  aner  closest  approach  when  R  gets  large  again  –  may  recapture  stars  lost  at  closest  approach!  

smallest  /dal  radius  rt  at  closest  approach  (smallest  R)  

Structure  of  /dal  tails  

•  Direc/on  of  2  /dal  arms  rela/ve  to  orbital  mo/on  of  main  body:  arms  roughly  fall  along  orbit  of  main  body  (WHY…?)  

•  Inner  tail  (closer  to  central  body)  is  the  leading  tail  –  par/cles  orbit  faster              Outer  tail  is  trailing  tail  –  par/cles  orbit  slower                (this  is  as  expected  -­‐-­‐  the  orbital  /me  is  faster  closer  to  the  central  body)  

To  central  body  (Milky  Way)  

Some  halo  globular  clusters  originate  from  the  /dally  disrupted  Sagitarius  dwarf  galaxy,  currently  merging  with  the  Milky  Way  

31  

Simula/on  of  /dal  disrup/on  of  Sagitarius  dwarf  galaxy  

Simula/on  of  /dal  disrup/on  of  Sagitarius  dwarf  galaxy  

interes/ng  behaviors  seen  in  this  simula/on:  1.   /dal  interac/on  triggers  bar  and  spiral  arms  (both  m=2  structures,  like  /des)  in  large  galaxy  

2.   small  galaxy  originally  in  circular  orbit  –  outer  parts  /dally  stripped,  inner  core  sinks  to  center.  this  sinking  process  is  like  mass  segrega/on  –  massive  thing  sinks  to  center,  less  massive  par/cles  (stars)  move  outwards  

bars  in  galaxies  

something  interes/ng  that  happens  in  a  disk    can  drive  some  stars  out  of  disk  plane  to  make  par/cular  type  of  bulge  (pseudobulge)    cause  large  gravita/onal  torques  which  drive  material  radially  inward  or  outward    drive  secular  evolu$on  of  disk  galaxies  

Classic  barred  spiral  NGC  1300  

37  

NGC  1300  HST  

Dust  lanes  along  leading  edges  of  stellar  bar  (generally  true)  Not  much  star  forma/on  along  bar  (not  always  true)  Spiral  arms  emerge  from  bar  ends  (not  always  true)  

Bars  exist  in  spirals,  S0s,  dwarf  irregulars  

38  

NGC  4608,  barred  S0  

NGC  5020,  barred  spiral  

LMC  ,  barred  irregular  (Sm)  

don’t  need  gas  to  have  bar  (unlike  spiral  arms)  -­‐-­‐  stellar  orbits  can  support  a  bar   in  some  dwarfs  the  bar  is  

offset  from  galaxy  center  

>50%  of  spirals  &  S0s  have  bars  

What  are  bars?  Descrip5on  of  morphology:  

•  Elongated  linear  feature  of  extra  stellar  mass  density  

•  In  disk  plane:  bars  elongated  ~2.5:1  -­‐  5:1  

•  Perpendicular  to  disk  plane:  most  stars  near  disk  plane  but  at  some  radii  in  some  bars  stars  get  far  from  disk  to  make  peanut-­‐shaped  bulge  

39  

Stellar  orbits  in  bars  

40  

RCR  Corota/on  radius  

Many  stellar  orbits    highly  elongated  in  direc/on  of  bar.  Such  stars  make            up  the  bar.  Athanassoula  (1992)  models  

           Unlike  stars  in  density  wave  spiral  arm,  stars  in  a  bar  STAY  IN  THE  BAR  

Figure  shows  some  of  the  closed  orbits  in  a  simple  model  of  a  barred  galaxy.  These  closed  orbits  are  only  a  subset  of  all  the  stellar  orbits,  but  there  are  enough  stars  on  similar  orbits  in  many  real  galaxies  to  make  a  bar.  

stellar  bars  have  large  m=2  component  

41  

Meaning  of  m=2:  Azimuthal  distribu/on  of  something  (e.g.  light,  mass)  described  by  I(θ)  =  I0cos(mθ),  where  m=2    as  you  go  around  once,  you  encounter  2  peaks  &  2  troughs  

θ

θlight  intensity

  bar  

Tidal  forces  

External  gravita/onal  force  ac/ng  on  extended  body  

If  we  subtract  the  force  at  the  center  of  mass,  we  get  the    differen$al  gravita$onal  force  =  $dal  force      To  observer  at  center,    the  near  &  far  sides  are  experiencing  accelera/ons  which  differ  from  its  own  

Tidal  forces  have  dominant    m=2  component  

Bars  can  be  triggered  by  /dal  interac/on  or  minor  merger    

/dal  interac/ons  have  strong  m=2  component,  so  ideal  for  triggering  m=2  bars  or  spiral  arms  

43  

NOTE:  the  bars  in  these  galaxies  are  not  necessarily  caused  by  this  /dal  encounter!  

Does  this  galaxy  have  a  bar?  

45  NGC  253  in  op/cal  

Bars  easier  to  see  in  NIR    

46  NGC  253  in  NIR  (2MASS)  

Bars  easier  to  see  in  NIR  dust  ex/nc/on  at  op/cal  λs  can  hide  bars  

47  

NGC  253  in  op/cal   NGC  253  in  NIR  (2MASS)  

Bar  frequency  higher  in  NIR  studies  than  op/cal  studies,  since  the  underlying  stellar  mass  distribu/on  is  traced  beter  in  NIR.  

Stellar  bar  does  not  appear  to  extend  above  the  dust  in  disk,  indica/ng  that  the  stellar  bar  is  NGC  253  is  a  THIN  DISK  component  

ASTRO  310:            Galac/c  &  Extragalac/c  Astronomy              

Prof.  Jeff  Kenney    

Basics  on  the  Forma)on  of  the  Elements  these  slides  won’t  be  covered  in  class.  please  review  before  

Lecture  16  (Mon  Oct  29)!  

Lunar  /des  on  earth  

r/R<<1  for  earth-­‐moon  system  (r/R  =  1/30)  so  the  2  /dal  bulges  on  the  earth  are  symmetric  

r  

R