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Atmospheres of evolved C-rich stars - from observations to models, and back

Gioia Rau

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Astronomie)

Betreuer*innen

Franz Kerschbaum ,

Josef Hron

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DOI

10.25365/thesis.43836

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-24232.72475.644967-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das AGB (Asymptotic Giant Branch) Stadium ist eine kurze aber faszinierende Phase in der Entwicklung von Sternen mit niedriger bis mittlerer Masse (0.8 bis 8 Sonnenmassen). AGB Sterne sind durch eine ausgedehnte Atmosphäre mit einer schalenartigen Struktur gekennzeichnet. Das Modellieren solcher Atmosphären stellt nach wie vor eine Herausforderung in der gegenwärtigen Astronomie dar. Kohlenstoffreiche AGB-Stern Atmosphären wurden bereits in verschiedenen Arbeiten erforscht, welche hydrostatische und dynamische Modelle von Atmosphären mit Beobachtungsdaten verglichen haben, jedoch kaum auf systematische Art und Weise und durch Verwendung von Messungen mit verschiedensten Beobachtungstechniken. Ein derartiges methodisches Testen erweist sich tatsächlich als beste Möglichkeit, zur Einschränkung und Verbesserung der Modelle. Ziel dieser Doktorarbeit ist die Analyse von C-angereicherten Atmosphären von AGBSternen. Hochmoderne dynamische und hydrostatische Modellatmosphären wurden mit neuen und vorhandenen interferometrischen Beobachtungen im mittleren Infrarot (MIDI Instrument) sowie spektroskopischen und photometrischen Daten verglichen. Insgesamt wurden acht kohlenstoffreiche Sterne erforscht: RU Vir, R Lep, R Vol, Y Pav, AQ Sgr, U Hya, X TrA und R For. Der erste Teil dieser Arbeit besteht aus drei einleitenden Kapiteln, welche sich im Allgemeinen mit AGB Sterne befassen und die verschiedenen Atmosphärenmodelle sowie die wichtigste Beobachtungstechnik die in dieser Arbeit angewendet wurde, nämlich die optische Interferometrie, beschreiben. In Kapitel vier wird die Atmosphäre des Sternes RU Vir studiert, welche mit Hilfe von hydrostatischen, geometrischen und dynamischen Modellen analysiert wurde. Die spektralen Energieverteilungen (SED, Spectral Energy Distributions) der dynamischen Modelle wurden erstmals mit Literaturdaten angeglichen, sodass ein optimales Modell gefunden werden konnte. Danach wurden die interferometrischen Messgrößen für alle Pulsationsphasen dieses spezifischen Modells berechnet. Diese Methode wurde für die gesamte Doktorarbeit angewendet. RU Vir zeigte eine SED welche nur zwischen 2 und 14 micron gut mit dem Modell übereinstimmt und auch die MIDI Daten konnten nicht gut reproduziert werden. Der Stern erwies sich somit als etwas rätselhafter Mira. Die Untersuchungen wurden in Kapitel fünf auf eine Reihe von kohlestoffreichen veränderlichen Sternen (Mira, Semi-reguläre und Irreguläre Variable) ausgeweitet. Die Eigenschaften der Atmosphären dieser Sterne wie etwa die Ausdehnung, die Staubeigenschaften und der Masseverlust sowie weitere Modellgrößen werden hier beschrieben. Stellare Parameter werden hergeleitet und die Sterne werden im Hertzsprung-Russell Diagramm lokalisiert. Die Resultate zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Fundamentalparametern, welche durch das Erstellen des Modells erzielt wurden, und Entwicklungsrechnungen für thermisch pulsierende AGB Sterne. Die Datenreduktion, QualitätsÜberprüfung und Analyse von „Very Large Telescope“ Interferometer/ MIDI Daten, die als Teil eines „ESO Large Programs“ erhalten wurden, machten einen beträchtlichen Teil des Arbeitsaufwandes der vorliegenden Doktorarbeit aus. Die wissenschaftlichen Ergebnisse des oben genannten Programmes werden im Kapitel sechs dargelegt. Trotz der ermutigenden Ergebnisse bezüglich dynamischer Modelle, die durch diese Forschungsarbeit erzielt werden konnten, bleiben Unterschiede zwischen Beobachtungen und Modellen bestehen. Diese betreffen sowohl die SEDs als auch die interferometrischen Observablen. In Kapitel sieben wird an Hand eines ersten Testfalls untersucht, ob die in den dynamischen Modellen verwendete Näherung kleiner Staubteilchen (SPL, small particle limit) die Übereinstimmung zwischen Modellen und Beobachtungen beeinflusst und ob durch das Weglassen dieser Annahme eine bessere Übereinstimmung erzielt werden könnte. Die Messwerte des Teststerns, R Lep werden mit einem neu gerechneten „non-SPL model“ der Uppsala Guppe verglichen. Verbesserungen sowie bestehende Unterschiede werden infolge beschrieben. Der ebenfalls im Rahmen der Dissertation durchgeführte Vergleich von dynamischen Modellen mit den der spektro-photometrischen und interferometrischen MIDI Daten des Sternes R For wird in Kapitel acht vorgestellt. Schlussfolgerungen und Zukunftsprospektiven zu dieser Arbeit finden sich in den Kapitel neun.

Abstract

(Englisch)

A short but intriguing stage in the evolution of low to intermediate (0.8 to 8) mass stars, the Asymptotic Giant Branch (AGB) is populated by stars with extended, complex, shell-like structured atmospheres. Modelling giant star atmospheres remains a challenging task in contemporary astronomy. Carbon-rich AGB star atmospheres have been widely studied by several authors, who compared observations with hydrostatic and dynamic atmospheric models but rarely in a systematic way with multi-facility observations. The methodical testing of models with multi-technique observations has in fact emerged as the only adequate way to provide strong constraints on models. The study of C-enriched AGB stars atmospheres, is the main purpose of this thesis. Advanced state-of-the-art dynamic and hydrostatic model atmospheres have been compared with new and archive mid-infrared interferometric MIDI observations and literature spectro-photometric data. In total eight C-rich stars have been investigated: RU Vir, R Lep, R Vol, Y Pav, AQ Sgr, U Hya, X TrA and R For. The first part of this monograph consists of three introductory chapters, which present general background on AGB stars, on the types of models used to interpret the data, and on the main observational technique used in this work: optical interferometry. Chapter 4 focuses on the study of the atmosphere of RU Vir. Hydrostatic, geometric and dynamic models have been fit to the observations. The dynamic model Spectral Energy Distributions (SED) were first fitted to the literature data, obtaining one best-fitting model; then, for all the stellar pulsational phases of this specific model, the interferometric intensity profiles and visibilities were computed. This method was adopted for the whole thesis. Showing an SED which agrees well with the models only between 2 and 14 micron, this star turned out to be a peculiar, puzzling Mira. This research was extended to a set of carbon-enriched Mira, Semi-regular and Irregular variables, in Chapter 5. Characteristics of the atmospheres of these stars, such as their extension, dust properties and mass loss, together with further constraints on the models, are given. Stellar parameters are derived and the stars are located in in Hertzsprung-Russell diagram, with results showing a good accord between the main parameters obtained from the modelling and evolutionary computations of the thermally pulsating AGB. A substantial amount of effort was devoted to the data-reduction, quality checks, and analysis of Very Large Telescope Interferometer/MIDI data, part of a ESO Large Program of observations. The scientific results of this program are given in Chapter 6. Even though encouraging results regarding the dynamic models are obtained in this thesis, some differences between SEDs and interferometric studies persist. Chapter 7 investigates, from an observational standpoint, if removing the assumption of the small particle limit (SPL) could improve the agreement between models and observations. A test-case star, R Lep, is used, and its measurements are compared to the newly produced non-SPL model from the Uppsala group. Achieved improvements and remaining differences are described. In Chapter 8 the preliminary dynamic modelling of the spectro-photometric and interferometric MIDI data of R For is presented. Finally, Chapter 9 summarizes conclusions and future prospects on this study.

Autor*innen

Gioia Rau

Haupttitel (Englisch)

Atmospheres of evolved C-rich stars - from observations to models, and back

Paralleltitel (Deutsch)

Atmospheres von entwickelte C-angereicherten Sterne - von Beobachtungen zu Modellen und zurück

Publikationsjahr

2016

Umfangsangabe

xxvi, 226 Seiten : Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Markus Wittkowski ,

Thomas Posch

Klassifikationen

39 Astronomie > 39.22 Astrophysik ,

39 Astronomie > 39.40 Sternsysteme, Sterne

AC Nummer

AC13649897

Utheses ID

38806

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 413 |

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Schlagwörter