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Search for signatures of s-process elements in cool stars in the near infrared (NIR)

Manfred Ludwig Zendel

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Astronomie

Betreuer*in

Thomas Lebzelter

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DOI

10.25365/thesis.70727

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11250.79562.637921-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Signaturen von hochaufgelösten NIR-Spektren können eine spezifische Identifizierung von Elementen und Molekülen ermöglichen, um die Zusammensetzung der Elemente an der Oberfläche des beobachteten Sterns zu bestimmen. Ein hochaufgelöstes Nahinfrarot (NIR)-Absorptionsspektrum des K-Sterns 10 Leonis, aufbereitet und veröffentlicht durch das CRIRES-POP-Projekt, wird benutzt zur Analyse. Das publizierte Spektrum umfasst Wellenlängenkalibrierung, verschiedene Korrekturen für Geschwindigkeit und instrumentelle Eigenschaften sowie die Entfernung von atmosphärischen Absorptionslinien. Es liefert die Wellenzahl und den entsprechenden normierten Fluss. Das NIR-Spektrum deckt einen Wellenlängenbereich von 962 nm bis 5225 nm ab, der in YJ-, H-, K-, L- und M-Band unterteilt ist. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Identifizierung unbekannter Absorptionslinien in den verschiedenen Segmenten dieses aufbereiteten NIR-Spektrums, die von Elementen schwerer als Fe stammen könnten, welche durch Neutroneneinfang gebildet werden können. Neben einer Vielzahl von Metalllinien, die hauptsächlich von Fe I, Si I, Mn I, Cr I, Ni I und Ti I stammen, dominieren Absorptionslinien von Molekülen wie CO, CN und OH das Spektrum. Die Komplexität und Vielzahl der beobachteten Absorptionslinien erfordert eine differenzierte Suche nach Signaturen, um eine eindeutige Zuordnung zu einem bestimmten Element/Molekül zu ermöglichen. Leider mangelt es in den publizierten Linienlisten vieler Metalle an Vollständigkeit und Genauigkeit der spektralen Parameter, die teilweise modellabhängig ermittelt sind. Diese Arbeit identifiziert größere Widersprüche und findet Hinweise, dass die Mehrheit der unbekannten Linien Fe und den Elementen leichter als Fe zugeschrieben werden kann. Die Analyse der Spektren und die Handhabung der Daten erfolgen hauptsächlich durch Anwendung von Standard-Excel-Tabellenkalkulationen, die auf die jeweilige Aufgabe zugeschnitten sind. Kleine, selbst entwickelte Python-Programme erleichtern die Analyse und graphische Darstellung der Daten. Die meisten molekularen Absorptionslinien können identifiziert und ihren jeweiligen Rotation- Vibrationsbanden zugeordnet werden. Bandenköpfe und Wellenlängen der einzelnen Linienübergänge werden durch Polynome berechnet und mit dem beobachteten Spektrum verglichen. Darüber hinaus wird das NIR-Spektrum des K-Sterns Arktur zur Unterstützung der Linienidentifikation verwendet. Äquivalentbreiten werden bestimmt, um die Stärke von Linien zu vergleichen und Grenzwerte für den Nachweis verschiedener Elemente abzuschätzen. Eine Vielzahl von synthetischen Spektren, erzeugt mit atmosphärischen Modellen und Parametern für Sonne, 10 Leonis und Arktur, werden mit den beobachteten Spektren von 10 Leonis und Arktur verglichen. Unterschiede in Elementhäufigkeit und Isotopenhäufigkeit von 12CO, 13CO, C17O und C18O zwischen 10 Leonis und Arktur werden beobachtet. Die erweiterte Datenanalyse für das Molekül CO liefert eine Reihe spezifischer Parameter wie Rotationskonstanten, Verzerrungskonstanten und Kopplungskonstanten.

Abstract

(Englisch)

Signatures of high resolution NIR-spectra can provide specific identification of elements and molecules to determine the composition of elements at the surface of the observed star. A high resolution near infrared (NIR) absorption spectrum of the K-star 10 Leonis, processed and published by the CRIRES-POP project, is used for the analysis. The published spectrum includes wavelength calibration, various corrections for velocity and instrumental properties as well as the removal of telluric lines. It supplies the wavenumber and the corresponding normalized flux. The NIR spectrum covers a wavelength range from 962 nm to 5225 nm, which is divided into YJ, H, K, L and M bands. The focus of this work is on the identification of unknown absorption lines in the different segments of this NIR spectrum which could originate from elements more massive than Fe, which are formed by neutron capture. In addition to a large number of metal lines, which mainly originate from Fe I, Si I, Mn I, Cr I, Ni I and Ti I, absorption lines from molecules such as CO, CN and OH dominate the spectrum. The complexity and large number of observed absorption lines require a differentiated search for signatures in order to enable an unambigous assignment to a certain element/molecule. Unfortunately, the published line lists of many metals lack the necessary completeness and accuracy of the line parameters, some of which are determined by model calculations only. This work identifies major inconsistencies and finds hints that the majority of the unknown lines are attributable to Fe and elements less massive than Fe. The analysis of the spectra and data management is mainly performed by standard Excel spreadsheet applications that are tailored to the specific task. Small, self-developed Python programs facilitate the analysis and graphical presentation of the data. Most of the molecular absorption lines could be identified and attributed to their respective rotational-vibrational bands. Bandheads and wavelengths of the individual line transitions are calculated using polynomial fits and matched with the observed spectrum. In addition, the NIR-spectrum of the K-star Arcturus is used to support line identification. Equivalent widths are determined in order to compare the strength of lines and to estimate limit values for the detection of different elements. A large number of synthetic spectra, generated with atmospheric models and parameters for the Sun, 10 Leonis and Arcturus, are compared with the observed spectra of 10 Leonis and Arcturus. Differences in element abundance and isotope abundance of 12CO, 13CO, C17O and C18O between 10 Leonis and Arcturus are observed. Extended data analysis for the molecule CO provide a range of specific parameter such as rotational constants, distortion constants and coupling constants.

Autor*innen

Manfred Ludwig Zendel

Haupttitel (Englisch)

Search for signatures of s-process elements in cool stars in the near infrared (NIR)

Paralleltitel (Deutsch)

Suche nach Signaturen von s-Prozess Elementen in kühlen Sternen im nahen Infrarot near infrared (NIR)

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

ix, 180 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Thomas Lebzelter

Klassifikationen

39 Astronomie > 39.11 Astronomische Beobachtung, Observatorien, Planetarien ,

39 Astronomie > 39.99 Astronomie: Sonstiges

AC Nummer

AC16504125

Utheses ID

61083

Studienkennzahl

UA | 066 | 861 | |

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Schlagwörter