@phdthesis{Youakim2020,
  author    = {Youakim, Kris},
  title     = {Galactic archaeology with metal-poor stars from the Pristine survey},
  doi       = {10.25932/publishup-47431},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474314},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {iv, 151},
  year      = {2020},
  abstract  = {The Milky Way is a spiral galaxy consisting of a disc of gas, dust and stars embedded in a halo of dark matter. Within this dark matter halo there is also a diffuse population of stars called the stellar halo, that has been accreting stars for billions of years from smaller galaxies that get pulled in and disrupted by the large gravitational potential of the Milky Way. As they are disrupted, these galaxies leave behind long streams of stars that can take billions of years to mix with the rest of the stars in the halo. Furthermore, the amount of heavy elements (metallicity) of the stars in these galaxies reflects the rate of chemical enrichment that occurred in them, since the Universe has been slowly enriched in heavy elements (e.g. iron) through successive generations of stars which produce them in their cores and supernovae explosions. Therefore, stars that contain small amounts of heavy elements (metal-poor stars) either formed at early times before the Universe was significantly enriched, or in isolated environments. The aim of this thesis is to develop a better understanding of the substructure content and chemistry of the Galactic stellar halo, in order to gain further insight into the formation and evolution of the Milky Way. The Pristine survey uses a narrow-band filter which specifically targets the Ca II H \& K spectral absorption lines to provide photometric metallicities for a large number of stars down to the extremely metal-poor (EMP) regime, making it a very powerful data set for Galactic archaeology studies. In Chapter 2, we quantify the efficiency of the survey using a preliminary spectroscopic follow-up sample of ~ 200 stars. We also use this sample to establish a set of selection criteria to improve the success rate of selecting EMP candidates for follow-up spectroscopy. In Chapter 3, we extend this work and present the full catalogue of ~ 1000 stars from a three year long medium resolution spectroscopic follow-up effort conducted as part of the Pristine survey. From this sample, we compute success rates of 56\% and 23\% for recovering stars with [Fe/H] < -2.5 and [Fe/H] < -3.0, respectively. This demonstrates a high efficiency for finding EMP stars as compared to previous searches with success rates of 3-4\%. In Chapter 4, we select a sample of ~ 80000 halo stars using colour and magnitude cuts to select a main sequence turnoff population in the distance range 6 < dʘ < 20 kpc. We then use the spectroscopic follow-up sample presented in Chapter 3 to statistically rescale the Pristine photometric metallicities of this sample, and present the resulting corrected metallicity distribution function (MDF) of the halo. The slope at the metal-poor end is significantly shallower than previous spectroscopic efforts have shown, suggesting that there may be more metal-poor stars with [Fe/H] < -2.5 in the halo than previously thought. This sample also shows evidence that the MDF of the halo may not be bimodal as was proposed by previous works, and that the lack of globular clusters in the Milky Way may be the result of a physical truncation of the MDF rather than just statistical under-sampling. Chapter 5 showcases the unexpected capability of the Pristine filter for separating blue horizontal branch (BHB) stars from Blue Straggler (BS) stars. We demonstrate a purity of 93\% and completeness of 91\% for identifying BHB stars, a substantial improvement over previous works. We then use this highly pure and complete sample of BHB stars to trace the halo density profile out to d > 100 kpc, and the Sagittarius stream substructure out to ~ 130 kpc. In Chapter 6 we use the photometric metallicities from the Pristine survey to perform a clustering analysis of the halo as a function of metallicity. Separating the Pristine sample into four metallicity bins of [Fe/H] < -2, -2 < [Fe/H] < -1.5, -1.5 < [Fe/H] < -1 and -0.9 < [Fe/H] < -0.8, we compute the two-point correlation function to measure the amount of clustering on scales of < 5 deg. For a smooth comparison sample we make a mock Pristine data set generated using the Galaxia code based on the Besan{\c{c}}on model of the Galaxy. We find enhanced clustering on small scales (< 0.5 deg) for some regions of the Galaxy for the most metal-poor bin ([Fe/H] < -2), while in others we see large scale signals that correspond to known substructures in those directions. This confirms that the substructure content of the halo is highly anisotropic and diverse in different Galactic environments. We discuss the difficulties of removing systematic clustering signals from the data and the limitations of disentangling weak clustering signals from real substructures and residual systematic structure in the data. Taken together, the work presented in this thesis approaches the problem of better understanding the halo of our Galaxy from multiple angles. Firstly, presenting a sizeable sample of EMP stars and improving the selection efficiency of EMP stars for the Pristine survey, paving the way for the further discovery of metal-poor stars to be used as probes to early chemical evolution. Secondly, improving the selection of BHB distance tracers to map out the halo to large distances, and finally, using the large samples of metal-poor stars to derive the MDF of the inner halo and analyse the substructure content at different metallicities. The results of this thesis therefore expand our understanding of the physical and chemical properties of the Milky Way stellar halo, and provide insight into the processes involved in its formation and evolution.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Arentsen2020,
  author    = {Arentsen, Anke},
  title     = {Galactic archaeology with the oldest stars in the Milky Way},
  doi       = {10.25932/publishup-47602},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476022},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2020},
  abstract  = {In einer dunklen Nacht kann man tausende Sterne sehen. All diese Sterne befinden sich innerhalb der Milchstraße, unsere Heimatgalaxie. Nicht alle Sterne sind gleich, sie k{\"o}nnen zum Beispiel unterschiedliche Gr{\"o}ßen, Massen, Temperaturen und Alter haben. Die schwereren Sterne leben (aus astronomischer Sicht) nicht lange, nur wenige Millionen Jahren, aber Sterne kleiner als die Sonne k{\"o}nnen mehr als zehn Milliarden Jahren alt werden. Kleine Sterne die ganz am Anfang des Universums entstanden sind leuchten immer noch. Diese uralten Sterne sind sehr hilfreich um mehr {\"u}ber das fr{\"u}he Universum, die erste Sterne und die Geschichte der Milchstraße zu erfahren. Aber wie erkennt man uralte Sterne? Anhand ihrer chemischen Fingerabdr{\"u}cke! Am Anfang des Universums gab es nur zwei chemische Elemente: Wasserstoff und Helium (und ein klein bisschen Lithium). Alle schwereren Elementen wie zum Beispiel Kohlenstoff, Kalzium und Eisen sind erst sp{\"a}ter innerhalb von Sternen und in Sternexplosionen entstanden. Je mehr Sternen geboren werden, sich entwickeln und explodieren, desto mehr chemische Elemente gibt es im Universum. Sterne die sp{\"a}ter entstehen werden mit einer gr{\"o}ßeren Menge an schweren Elementen, beziehungsweise einer gr{\"o}ßeren Metallizit{\"a}t, geboren. Im Bereich der Astronomie der sich „Galaktische Arch{\"a}ologie" nennt benutzt man Sterne mit unterschiedlichen Metallizit{\"a}ten um die Geschichte der Milchstraße zu erforschen. In dieser Doktorarbeit liegt der Fokus auf den metallarmen Sterne, da man erwartet dass diese Sterne am {\"a}ltesten sind und uns deswegen viel {\"u}ber die fr{\"u}he Geschichte erz{\"a}hlen k{\"o}nnen. Bis heute haben wir noch keinen metallfreien Stern entdeckt, aber die metall{\"a}rmsten Sterne geben uns wichtige Einblicke in das Leben und Sterben der ersten Sterne. Viele von diesen {\"a}ltesten, metall{\"a}rmsten Sternen haben unerwartet viel Kohlenstoff im Vergleich zu zum Beispiel Eisen. Diese kohlenstoffreichen, metallarmen Sterne (CEMP Sterne) erz{\"a}hlen uns etwas {\"u}ber die allerersten Sterne im Universum: sie haben relativ viel Kohlenstoff produziert. Wenn wir uns die genauen chemischen Fingerabdr{\"u}cke von CEMP Sterne angucken, erz{\"a}hlen sie uns noch viel mehr. Aber unsere Interpretation h{\"a}ngt von der Annahme ab, dass der chemische Fingerabdruck sich w{\"a}hrend des Lebens eines Sternes nicht ge{\"a}ndert hat. In dieser Dissertation werden neue Daten pr{\"a}sentiert die zeigen dass diese Annahme vielleicht zu einfach ist: viele extrem metallarme CEMP Sterne befinden sich in Doppelsternsystemen. Interaktion zwischen zwei Sternen in einem Doppelsternsystem k{\"o}nnte die Oberfl{\"a}che von CEMP Sternen verschmutzt haben. Zwar wurden die meisten CEMP Sterne h{\"o}chstwahrscheinlich nicht verschmutzt, aber wir sollten vorsichtig sein mit unserer Interpretation. Die CEMP Sterne und andere metallarme Sterne sind auch wichtig f{\"u}r unser Verst{\"a}ndnis der fr{\"u}hen Geschichte der Milchstraße. Die meisten Forscher, die metallarme Sterne studieren, suchen diese Sterne im Halo der Milchstraße: einer riesigen, diffuse Komponente die ungef{\"a}hr 1\% der Sterne in unserer Galaxie enth{\"a}lt. Modelle sagen aber vorher dass die {\"a}ltesten metallarmen Sterne sich im Zentrum der Milchstraße befinden (im „Bulge"). Das Zentrum ist leider, wegen großer Mengen Staub zwischen uns und dem Zentrum und einer {\"u}berw{\"a}ltigenden Mehrheit an metallreichen Sternen, schwierig zu beobachten. Diese Dissertation pr{\"a}sentiert Ergebnisse des „Pristine Inner Galaxy Survey" (PIGS), einer neuen Himmelsdurchmusterung, die die {\"a}ltesten Sterne im Bulge der Milchstraße sucht (und findet). PIGS benutzt Bilder mit einer Farbe, die f{\"u}r die Metallizit{\"a}t der Sterne empfindlich ist, und kann deswegen sehr effektiv die metallarmen Sterne aus Millionen anderer Sterne ausw{\"a}hlen. Von interessanten Kandidaten wurden Spektren aufgenommen und mit zwei unabh{\"a}ngigen Methoden analysiert. Mit dieser Strategie hat PIGS die bislang gr{\"o}ßte Anzahl an metallarmen Sternen in der inneren Galaxie entdeckt. Ein neues Ergebnis aus den PIGS Daten ist, dass die metall{\"a}rmeren Sterne langsamer um das Galaktische Zentrum drehen als die metallreichen Sterne, und dass sie mehr willk{\"u}rliche Bewegung zeigen. Eine zweite wichtige Leistung von PIGS ist die Entdeckung von dutzenden CEMP Sternen in der innere Galaxie, wo vorher nur zwei bekannt waren. Die neuen Ergebnisse aus dieser Dissertation helfen uns die ersten Sterne und die Geschichte der Milchstraße besser zu verstehen. Laufende und neue Himmelsdurchmusterungen in den n{\"a}chsten Jahren werden uns noch viel mehr Informationen geben: es ist eine aufregende Zeit f{\"u}r die Galaktische Arch{\"a}ologie.},
  language  = {en}
}