Resolving our dusty neighborhood in the Milky Way

Edenhofer, Gordian (2024): Resolving our dusty neighborhood in the Milky Way. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

For centuries, our view of the night sky was merely a two-dimensional image of the vast cosmos surrounding us. With new observational data from Gaia and significant methodological advancements, we have begun to study the structures closest to us in the Milky Way in three spatial dimensions (3D). The goal of this thesis is to reconstruct the spatial 3D distribution of clouds of matter between stars, important for the formation of stars and galactic dynamics, at high resolution in a much larger volume than ever before. To probe these clouds in 3D, we rely on measurements of interstellar dust as a tracer. Reconstructing the density of interstellar dust in 3D in ever larger volumes requires new statistical tools to model spatially correlated densities in large volumes and new computational tools to handle the degrees of freedom encountered in the modeling. First, we develop a fast algorithm utilizing a multi-resolution view of the modeled volume. The algorithm achieves a linear time and memory complexity with the number of modeled volume elements and allows representing spatially correlated structures in volumes with hundreds of millions of elements. Next, we create a Bayesian modeling framework designed to efficiently handle hundreds of millions to billions of degrees of freedom. This framework is a rewrite of the Numerical Information Field Theory package (NIFTy) in JAX. The rewrite accelerates the runtime of typical models coded in NIFTy by two orders of magnitude. Combining our statistical and computational tools with the most recent data from Gaia, we create the largest high-resolution 3D interstellar dust map to date. The map has an angular resolution of 14', a parsec-scale distance resolution, and extends out to 1.25 kpc from the Sun, more than one tenth of the distance to the Galactic center. The map represents a significant improvement over previous maps in terms of dynamic range and volume covered at high resolution. Using the new 3D interstellar dust map, we study three prominent molecular clouds in the vicinity of the Sun: Musca, Chameleon, and Coalsack. Our 3D analysis reveals that these three famous nearby clouds, previously thought to be distinct, are part of a single coherent cloud structure, only revealed in 3D. The map and the methodologies developed offer new opportunities and a fresh perspective for future studies of our neighborhood in the Milky Way and the medium between stars.

Abstract

Jahrhundertelang war unser Blick in den Nachthimmel lediglich ein zweidimensionales Bild des Kosmos. Neue Beobachtungsdaten von Gaia und bedeutende methodische Fortschritte haben es uns ermöglicht, die uns am nächsten liegenden Strukturen in der Milchstraße in drei räumlichen Dimensionen (3D) zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, die räumliche 3D-Verteilung von Materiewolken zwischen Sternen, die für die Sternentstehung und die galaktische Dynamik wichtig sind, in einem viel größeren Volumen als je zuvor hochaufgelöst zu rekonstruieren. Um diese Wolken in 3D zu untersuchen, verwenden wir Messungen von interstellarem Staub. Die Rekonstruktion der 3D-Dichteverteilung von interstellarem Staub in immer größeren Volumina erfordert neue Methoden zur Auflösung korrelierter Dichten und neue Modellierungsverfahren zur Handhabung der Freiheitsgrade. Zuerst entwickeln wir einen Algorithmus mit linearer Zeit- und Speicherkomplexität, der in der Lage ist, räumlich korrelierte Strukturen in Volumina mit Hunderten von Millionen Volumenelementen darzustellen. Als Nächstes entwickeln wir eine bayessche Modellierungsbibliothek, die es erlaubt, effizient mit Hunderten von Millionen bis Milliarden von Freiheitsgraden zu arbeiten. Die Bibliothek ist eine grundlegende Überarbeitung und Übersetzung des Softwarepakets "Numerical Information Field Theory" (NIFTy) nach JAX und beschleunigt typische Modelle um zwei Größenordnungen. Mit unseren statistischen und rechnerischen Methoden und den neuesten Daten von Gaia erstellen wir die bisher größte hochauflösende 3D-Karte des interstellaren Staubs. Die Karte hat eine Winkelauflösung von 14', eine Entfernungsauflösung von Parsecs und reicht bis zu 1,25 kpc in jede Richtung von der Sonne. Die Karte stellt eine erhebliche Vergrößerung des hochaufgelösten Volumens und Verbesserung des Dynamikbereichs gegenüber früheren Karten dar. Wir untersuchen drei bekannte Molekülwolken in der Nähe der Sonne --- Musca, Chameleon und Coalsack --- mit der neuen 3D-Karte. Unsere 3D-Analyse zeigt, dass diese drei berühmten sonnennahen Wolken, die bisher als voneinander unabhängig galten, Teil einer einzigen zusammenhängenden Wolkenstruktur sind, die nur in 3D sichtbar ist. Unsere 3D-Karte und die entwickelten Methoden eröffnen neue Perspektiven für zukünftige Studien unserer Nachbarschaft in der Milchstraße und des Mediums zwischen den Sternen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 26. September 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Enßlin, Torsten