title: Shifting narratives: from multiple stellar populations in globular clusters to sustainability
Creators: name: Fréour, Laurane Lisa
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: In dieser Dissertation untersuche ich Narrative rund um multiple Sternpopulationen in Kugelsternhaufen (Globular Clusters, GCs) und Nachhaltigkeit. Lange Zeit wurde angenommen, dass GCs nur eine einzige Sternpopulation beherbergen, und sie wurden häufig als kugelförmige, nicht-rotierende Systeme beschrieben und modelliert. Diese Perspektive hat sich mit der Entdeckung multipler Sternpopulationen (Multiple Stellar Populations, MSPs) geändert, die durch unterschiedliche Häufigkeiten leichter Elemente gekennzeichnet sind. ``Angereicherte'' Populationen zeigen eine erhöhte Menge bestimmter Elemente wie Stickstoff und Natrium, sowie eine Verringerung anderer Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff, im Vergleich zu den ``ursprünglichen'' (engl. ``pristine'') Sternen, die typischerweise im Feld der Galaxie zu finden sind. Viele Theorien wurden vorgeschlagen, um die Ursprünge von MSPs zu erklären, doch keine reproduziert alle beobachteten Merkmale vollständig. Mithilfe von Netzwerksimulationen für Kernreaktionen untersuche ich die Temperatur- und Zeitbedingungen, die für die Nukleosynthese der chemischen Elemente, die für das MSP-Phänomen relevant sind, erforderlich sind. Ich stelle fest, dass nur ein enger Bereich in Temperatur und Zeit die Häufigkeiten der leichten Elemente reproduzieren kann, was gut mit früheren Arbeiten übereinstimmt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen untersuche ich eine spezifische Theorie, die vorschlägt, dass die Nukleosynthese des angereicherten Materials innerhalb einer Akkretionsscheibe um ein stellares Schwarzes Loch erfolgt. Mithilfe des Slim-Disk-Modells und Kernreaktionssimulationen deuten meine Ergebnisse darauf hin, dass dieses Szenario nur für Parameterbereiche möglich ist, die derzeit bei Schwarzen Löchern nicht beobachtet werden, wie beispielsweise Massen unterhalb der Sonnenmasse und sehr niedrige Viskosität. Ich hinterfrage auch die Vorstellung, dass Kugelsternhaufen sphärisch symmetrische Systeme sind. Ich habe eine robuste Methode entwickelt, um die Elliptizität von GCs zu messen, diese ausführlich mit simulierten Daten getestet und auf 26 GCs in der Milchstraße angewendet. Meine Analyse zeigt, dass 14 dieser Sternhaufen signifikant abgeflacht sind. Darüber hinaus untersuche ich die Formen von MSPs innerhalb dieser Sternhaufen und finde heraus, dass mindestens eine Population in 13 GCs von der sphärischen Symmetrie abweicht. Interessanterweise sind ursprüngliche Populationen oft stärker abgeflacht als angereicherte Populationen. Ich habe mögliche Ursachen für die Abflachung untersucht, darunter Rotation und Geschwindigkeitsanisotropie, und festgestellt, dass Rotation in einigen Sternhaufen der Haupttreiber für die Form sein könnte, während in anderen Fällen weitere Beobachtungen und detaillierte dynamische Modellierungen erforderlich sind, um endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, unsere Annahmen zu überdenken und unsere langjährigen Modelle für Kugelsternhaufen zu aktualisieren, insbesondere da immer komplexere Merkmale aus neuen Daten hervorgehen. Dieser Ansatz geht über die Astrophysik hinaus; als Astronomen tragen wir die Verantwortung, die Praktiken und Narrative in unserem Fachgebiet und darüber hinaus ständig zu hinterfragen und neu zu bewerten, insbesondere angesichts dringender globaler Herausforderungen wie der Klimakrise. In diesem Sinne diskutiere ich auch zwei Nachhaltigkeitsinitiativen in Lehre und Forschung, die zeigen, wie bedeutende Veränderungen möglich sind. Unser ständig besseres Verständnis von Kugelsternhaufen lehrt uns, alte Ideen infrage zu stellen und unsere Methoden anzupassen, um neue Probleme anzugehen. Mit dieser Dissertation nehme ich diese Lektion an und plädiere für einen Wandel in den Narrativen, sowohl in der Forschung als auch bei gesellschaftlichen Herausforderungen.
description: In this thesis, I explore narratives surrounding multiple stellar populations in globular clusters (GCs) and sustainability. For a long time, GCs were believed to host a single stellar population and were often described and modelled as spherical, non-rotating systems. This perspective has evolved with the discovery of multiple stellar populations (MSPs), characterized by different abundances of light elements. ``Enriched'' populations show an enhancement of certain elements, such as nitrogen and sodium, and depletion in others, such as carbon and oxygen, compared to the ``pristine'' stars typically found in the field of the Galaxy. Many theories have been proposed to explain the origins of MSPs, yet none fully reproduce all the observed signatures. Using nuclear reaction network simulations, I investigate the conditions of temperature and time required for the nucleosynthesis of the chemical elements relevant to the MSP phenomenon. I find that only a narrow range of temperature and time can reproduce the abundances in light elements, in good agreement with previous works. Building on these results, I explore a specific theory proposing that the nucleosynthesis of enriched material occurs within an accretion disk around a stellar-mass black hole. Using the slim-disk model and nuclear reaction simulations, my findings suggest that this scenario is feasible only for parameter ranges not currently observed in black holes, such as sub-solar masses and very low viscosity. I also challenge the view that globular clusters are spherically symmetric systems. I developed a robust method to measure the ellipticity of GCs, tested it extensively on mock data, and applied it to 26 Milky Way GCs. My analysis reveals that 14 of these clusters are flattened to a statistically significant level. Furthermore, I investigate the shapes of MSPs within these clusters and find that at least one population deviates from spherical symmetry in 13 GCs. Interestingly, pristine populations are often more flattened than enriched populations. I examined potential causes for the flattening, including rotation and velocity anisotropy, finding that rotation could be the main driver of the shape in some clusters, while for others follow-up observations and detailed dynamical modelling are required to reach definitive conclusions. These findings highlight the need to rethink our assumptions and update our long-standing models for globular clusters, especially as increasingly complex features emerge from new data. This approach goes beyond just astrophysics; as astronomers, we have a responsibility to constantly question and reassess the practices and narratives in our field and beyond, particularly when it comes to urgent global issues like the climate crisis. In this spirit, I also discuss two sustainability initiatives within teaching and research, which show how meaningful change can take place. Our constantly improving understanding of globular clusters teaches us the importance of challenging old ideas and adapting our methods to address new problems. With this thesis, I embrace this lesson and push for a shift in narrative, both for research and societal challenges.