Митчел аномалии химического состава звезд промежуточных и малых масс

На правах рукописи

Рохас Гарсия Маделайне Митчел

АНОМАЛИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

ЗВЕЗД ПРОМЕЖУТОЧНЫХ И МАЛЫХ

МАСС

Специальность 01.03.02 – астрофизика и звездная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук Холтыгин Александр Федорович

Официальные оппоненты:

Бикмаев Ильфан Фяритович, доктор физ.-мат. наук, доцент, (Казанский (Приволжский) федеральный университет, профессор);

Валявин Геннадий Геннадиевич, кандидат физ.-мат. наук, (Специальная астрофизическая обсерватория РАН, ст. науч. сотр.).

Ведущая организация:

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 15 ч. 30 м. на заседа нии диссертационного совета Д 212.232.15 при Санкт-Петербургском госу дарственном университете по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 28, ауд. 2143 (Математико-механический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Орлов Виктор Владимирович 1

Общая характеристика работы

1.1 Актуальность работы Исследования химического состава звезд являются одной из наиболее важных задач в астрофизике. Такие исследования позволяют детально ис следовать эволюцию как самих звезд, так и тех звездных систем (звезд ных скоплений и галактик), в которых они находятся. Особый интерес в этой связи представляют звезды, на содержание элементов в атмосферах которых влияет их околозвездное окружение. К таким звездам относятся бариевые звезды, звезды с планетными системами и звезды с пылевыми дебрис-дисками. Содержание элементов в атмосферах этих звезд заметно отличается от их содержания в атмосферах одиночных звезд.

На содержание элементов в атмосферах бариевых звезд, являющихся маломассивными двойными системами, существенно влияют процессы пе ретекания вещества со вторичного компонента на проэволюционировавший первичный компонент. Несмотря на долгий период, прошедший с начала исследований химического состава звезд в таких системах, природа физи ческих процессов, приводящих к аномальностям в содержаниях элементов, остается до настоящего времени не вполне ясной. Спектральные наблюде ния таких звезд в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах позво ляют детально исследовать как меняется их химический состав в зависи мости от их возраста и массы и эффективности обмена веществом между компаньонами двойной системы. Тем самым можно сделать вывод, что ис следование химического состава звезд в двойных системах с перетеканием вещества является актуальной астрофизической задачей.

Еще менее известен химический состав звезд, обладающих планетны ми системами. Известно пока лишь то, что химический состав таких звезд заметно отличается от характерного для звезд, не имеющих планетных си стем. Предполагается, что звезды с планетными системами имеют в сред нем повышенную металличность [Fe/H] по сравнению со звездами, таких систем не имеющих. При этом содержания элементов у объектов одного типа, определяемое разными авторами, зачастую сильно различаются. На пример, авторы работ [2, 5, 7] обнаружили повышенное содержание лития у звезд с экзопланетами по сравнению со средним содержанием лития у обычных звезд, что интерпретируется как результат усиления процессов перемешивания и/или увеличения глубины конвективной зоны.

В то же время Melendez et al. [8] обнаружили, что содержание лития одинаково у обеих групп звезд. Подобные расхождения характерны и для других элементов. Так, авторы работы [3, 9] считают, что в атмосферах звезд с планетными системами повышено содержание кислорода, тогда как в работах [1, 6] этот вывод не подтверждается.

Особый класс объектов представляют звезды с пылевыми осколочны ми (дебрис)-дисками. К таким объектам относятся старые маломассивные звезды (0.5 М — 3 М ) с возрастами в промежутке t = 107 — 109 лет. В ряде случаев в дебрис-дисках выделяют заметные пылевые кольца. Размер дисков составляет 10 — 100 а.е., а их масса Мmoon. Считается, что дебрис диски создаются и поддерживаются столкновениями между планетезима лями. Даже если общая масса частиц пыли меньше массы Земли, они могут затмевать родительскую звезду. Обычно звезды с дебрис-дисками находят, исследуя звездную систему в ИК области спектра [4] по ИК избыткам. Эти избытки вызваны поглощением излучения звезды диском и последующим переизлучением его в ИК диапазоне.

Тем самым можно заключить, что как звезды с планетами, так и звезды с дебрис-дисками представляют различные стадии эволюции звезд с пла нетными системами. На тесную связь этих объектов указывает существо вание гибридных систем, в которых найдены как планеты, так и пылевые дебрис-диски.

Исследования зависимости химических аномалий элементов у звезд с планетами и дебрис-дисками от температуры их конденсации Tc в твердой фазе могут пролить свет на детали формирования планетных систем и, в том числе, планет подобных нашей Земле. Зависимость содержаний эле ментов от Tc пока еще недостаточно хорошо известна, что указывает на необходимость ее изучения для широкого круга звезд и, в том числе, на актуальность изучения химического состава подобных звездных систем.

1.2 Цели диссертационной работы Основной целью диссертационной работы является определение содержа ний химических элементов и установление эволюционного статуса звезд с аномалиями химического состава.

Для достижения этой цели решалась задача определения фундамен тальных параметров и содержаний как легких, так и тяжелых элементов в атмосферах 20 программных звезд, включающих Ba ii-звезды, звезды с экзопланетами и с дебрис-дисками.

В решение этой задачи входило:

• получение из литературных источников атомных параметров, необхо димых для анализа спектров программных звезд;

• анализ спектрального наблюдательного материала высокого разреше ния, который был получен на 2.2-м телескопе ESO в Чили со спектро графом FEROS;

• определение фундаментальных параметров (эффективная температу ра, ускорение силы тяжести на поверхности звезды и микротурбулент ная скорость) и эволюционного статуса программных звезд с исполь зованием ЛТР моделей атмосфер звезд;

• определение содержания выбранных химических элементов в атмо сферах исследуемых звезд, в том числе тугоплавких, летучих элемен тов и элементов s-процесса;

• исследование зависимости металличности [Fe/H] от различных пара метров программных звезд;

• анализ зависимости относительного содержания элементов [X/H] от их температуры конденсации Tc, чтобы подтвердить или опровергнуть различные гипотезы формирования планетных систем.

1.3 Научная новизна • В диссертации впервые детально проанализированы спектры высоко го разрешения звезд CD-65 2893, HD 22229, HD 66812, HD 56523 и HD 31341 и установлено, что эти звезды являются умеренными бари евыми звездами.

• Впервые выполнено исследование единым методом как звезд с дебрис дисками, так и звезд с экзопланетами и гибридных систем.

• Впервые исследована зависимость содержаний элементов в атмосфе рах звезд с дебрис-дисками от их температуры конденсации.

1.4 Научная и практическая значимость работы Разработанная в диссертации методика анализа спектров звезд малых и промежуточных масс с аномалиями химического состава может быть использована для массового анализа содержаний элементов в объектах по добного типа.

Результаты анализа программных звезд применимы для уточнения клас сификации химически пекулярных звезд.

Проведенный в диссертационной работе анализ зависимости содержания элементов в атмосферах звезд с дебрис-дисками и планетными системами от их температуры конденсации применим к широкому кругу подобных звездных систем и может использоваться для выяснения механизмов обо гащения атмосфер звезд малых и промежуточных масс летучими и туго плавкими элементами.

1.5 Структура и объем диссертации Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Объем ра боты составляет 126 страниц и содержит 34 рисунка и 36 таблиц. Список цитируемой литературы включает 122 наименования.

1.6 Апробация результатов Основные результаты диссертации были представлены на следующих кон ференциях и симпозиумах:

• 39-ой Всероссийской научной конференции ”Физика Космоса”, Коуров ская Астрономическая обсерватория, Свердловская обл., Россия, 01 05 февраля 2010;

• Международной конференции ”JENAM-2011: European Week of Astronomy and Space Science”, Санкт-Петербург, Россия, 4-8 июля 2011;

• Международной конференции ”10th Pacic Rim Conference”, Сеул, Ко рея, 27-31 мая 2013;

• Международной конференции ”Putting A Stars into Context: Evolution, Environment, and Related Stars”, Москва, Россия, 3 - 7 июня 2013;

• Международной конференции ”European Week of Astronomy and Space Science”, Турку, Финляндия, 8 - 13 июля 2013;

• Всероссийской астрономической конференции ”Многоликая Вселенная (ВАК-2013)” Санкт-Петербург, Россия, 23-27 сентября 2013.

Кроме того, результаты диссертации были представлены на астрофизи ческих семинарах Кафедры астрофизики СПбГУ и астрофизических под разделений ГАО РАН.

2 Краткое содержание работы В Первой главе (Введении) содержится обзор научных работ по ис следованиям химически пекулярных звезд, в том числе бариевых звезд, звезд с планетными системами и с осколочными дебрис-дисками. Показа на актуальность работы, указаны ее цели, новизна и актуальность работы и дано краткое содержание диссертации.

Во Второй главе диссертации описана методика определения фунда ментальных параметров и химического состава программных звёзд. Дела ются оценки погрешностей определяемых величин.

В разделе 2.1 описаны наблюдения программных звезд и детально из ложена методика обработки их спектров. Дан список 20 программных звезд и указано к какой группе звезд с пекулярным химическим составом: уме ренные бариевые звезды, звезды с дебрис-диском или с планетами, они отнесены.

В разделе 2.2 обсуждаются модели атмосфер и используемые атом ные данные. В диссертации были использованы модели атмосфер Kurucz (Atlas 9), рассчитанные на основе предположений о локальном термодина мическом равновесии (ЛТР). Даны ссылки на работы, из которых были взяты атомные данные для элементов, линии которых анализируются в спектрах программных звезд.

Раздел 2.3 посвящен описанию методики определения эквивалентных ширин линий с помощью программы ARES. Педставлены оценки эффек тивных температур программных звезд Te и их металличности [Fe/H], полученных с помощью ARES.

Методам определению фундаментальных параметров звезд и их хими ческого состава посвящены разделы 2.4 и 2.5.

В разделе 2.6 описывается как определялись погрешности при опреде лении содержаний элементов. Для иллюстрации представлены результаты определения химического состава атмосферы звезды HD 10700 и погреш ности определенных содержаний элементов.

Рис. 1. Зависимость содержания железа, полученного по отдельным линиям Fe i, log (Fe), от потенциала возбуждения нижнего уровня () и приведенной эквивалентной ширины (log W ) для следующих бариевых звезд: (a) CD-65 2893, (b) HD 22229, (c) HD 66812, (d) HD 56523 и (e) HD 31341. Пунктирной линией показана линейная аппроксимация методом наименьших квадратов.

Процедура определения скоростей вращения и лучевых скоростей про граммных звезд изложена в разделе 2.7, а в разделе 2.8 описывается применение методики синтетических спектров для определения содержа ний элементов.

Третья глава посвящена определению фундаментальных параметров и химического состава группы умеренных бариевых звёзд. Определены сле дующие параметры: эффективная температура, ускорение силы тяжести, микротурбулентная скорость и металличность. При оценке атмосферных параметров для каждой звезды на основании измеренных эквивалентных ширин проводились расчеты содержаний железа. Полученные результаты анализировались с целью получения таких параметров модели атмосфе ры, при которых разброс относительных содержаний железа, полученных по разным линиям Fe i, был бы минимальным и при которых совпадают со держания, полученные по линиям нейтральных атомов Fe i и линиям ионов Fe ii.

Обработка спектров Ba 0-звёзд описана в разделе 3.1, а в разделе 3. даны результаты определения фундаментальных параметров звезд этой группы. Зависимости содержания Fe i в функции эквивалентной ширины и потенциала возбуждения представлены на рисунке 1.

Анализ содержаний элементов s-процесса в атмосферах Ba 0-звёзд дан в разделе 3.3. Получены содержания таких элементов s-процесса как Y, Zr, Ba, La, Ce и Nd, а также рассчитаны относительные содержания [ls/Fe] "легких" (Y и Zr) и "тяжелых" (Ba, La, Ce и Nd) элементов s-процесса.

Установлено, что у всех исследуемых Ba 0-звезд содержания элементов s процесса повышено на 0.3-0.4 dex по сравнению с солнечным, но при этом это повышение существенно меньше, чем у классических Ba ii звезд. Тем са мым делается вывод, что исследуемые звезды относятся к группе умеренно бариевых (Ba 0) звезд.

Ошибки содержаний элементов, обусловленные неточностью принятых значений параметров модели звездных атмосфер, даны в разделе 3.4.

Детально анализируются неточности в содержаниях из-за ошибок в опре делении фундаментальных параметров звезд.

В разделе 3.5 описана процедура определения содержания Ba в атмо сферах программных звезд. Содержание Ba было получено по двум лини ям: Ba ii 6141.713 и 6496.900 Линия Ba ii 6141.713 блендирова A. A поэтому для определения содержания бария на линией Fe i 6141.732 A, профили этих линий были проанализированы с использованием методи ки построения синтетических спектров звезд для того, чтобы уменьшить возможные ошибки в оценке содержания Ba.

Выводы к Третьей главе представлены в разделе 3.6.

Четвертая глава посвящена определению химического состава звезд с планетными системами и с дебрис-дисками. Получены содержания туго плавких и летучих элементов в атмосферах звезд с экзопланетами и дебрис дисками. Проведен анализ ошибок в определениях содержаний химических элементов при изменении найденных параметров.

Характеристики звезд с дебрис-дисками представлены в разделе 4.1, а металличность звезд с дебрис-дисками и планетными системами дана в разделе 4.2. Обсуждаются различные гипотезы происхождения отличий в металличности у звезд с планетами и звезд с такими же фундаментальны ми параметрами, но не имеющими планет. Дана таблица металличностей программных звёзд с планетами и дебрис-дисками.

Определение фундаментальных параметров программных звезд с пла нетами, дебрис-дисками и гибридных систем, у которых были обнаружены как планеты, так и дебрис-диски, представлено в разделе 4.3. Обсуждает ся методика определения параметров и выполнено сравнение параметров, полученных разными методами.

Определение содержания элементов описано в разделе 4.4. Программ ные звезды разделены на 2 группы: имеющих пониженную или повышен ную по сравнению с солнечной металличность [Fe/H]. Обнаружены суще ственные различия в содержаниях элементов у звезд этих групп.

В разделе 4.5 выполнен анализ содержания тугоплавких и летучих эле ментов в атмосферах программных звезд. Проанализирована зависимость относительного содержания летучих и тугоплавких элементов в зависимо сти от их температуры конденсации Tc в атмосферах программных звезд с низкой и высокой металличностью. Обнаружена положительная корреля ция между относительными содержаниями элементов и их температурами конденсации для группы звезд с металличностью [Fe/H] 0.

Выводы к Главе 4 сформулированы в разделе 4.6.

В Пятой главе проводится анализ положения исследуемых звезд на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Светимость определялась по видимым звездным величинам и расстояниям до исследуемых звезд, полученных по их параллаксам. Были также найдены массы звезд и их радиус. На осно вании полученных фундаментальных параметров звезд уточнен эволюци онный статус программных звезд.

В разделе 5.1 изложен байесовский метод определения звездных пара метров, реализованный на веб-портале PARAM1.2 (http://stev.oapd.inaf.it/ cgi-bin/param). С помощью теоретических изохрон для звезд промежуточ ных масс оцениваются и другие звездные параметры такие как: возраст, масса, радиус, теоретическое значение показателей цвета (B-V)0 и log g.

Анализируется зависимость между возрастом и металличностью программ ных звезд.

Раздел 5.2 посвящен определению физических параметров программ ных звезд. Для всех программных звезд находятся массы, радиусы и све тимости. Значения параметров, полученных разными методами, оказались близкими.

Рис. 2. Положение программных звезд с дебрис-дисками и/или планетами на диаграмме Герцшпрунга-Рессела Положения трех Ba 0-звёзд с известными параллаксами на диаграмме Герцшпрунга-Рессела даны в разделе 5.3. Указанные звезды попадают на треки звезд с массами 2 3 M, находящихся на стадии красных гигантов.

В разделе 5.3 представлены массы, светимости, радиусы, показатели цвета (B-V)0 и возраста программных звезд с планетами и дебрис-дисками.

Обсуждается эволюционный статус программных звезд и сделан вывод, что все эти звезды являются маломассивными с массами M 1.25 M.

Из рисунка 2 видно, что практически все звезды с дебрис-дисками и/или планетами находятся на главной последовательности;

только одна звезда HD 210681 находится на стадии субгиганта. Eе эволюционный статус по дробно рассмотрен в главе 6.

Выводы к Главе 5 представлены в разделе 5.5.

В Шестой главе впервые исследован спектр высокого разрешения звез ды HD 210681, полученный на 2.2-м телескопе в обсерватории (ESO) в Чи ли со спектрографом FEROS R = 48000. Определены основные парамет ры звезды: Te, log g, и [Fe/H] и проведен расчет химического состава атмосферы звезды для 17 тугоплавких и летучих элементов. Физические параметры HD 210681 указывают на то, что звезда находится на фазе суб гиганта. Звезда HD 210681 имеет наибольший возраст из всех исследуемых звёзд с дебрис-дисками: t = 10.08 ± 0.85. Все исследованные элементы в атмосфере HD 210681 кроме Al имеют содержание выше солнечного.

Спектральные наблюдения HD 210681 и их обработка представлены в разделе 6.1, а в разделе 6.2 детально описана процедура определе ния физических параметров звезды. Положение HD 210681 на диаграмме Герцшпрунга-Рессела существенно отличается от положений других про граммных звезд с дебрис-дисками. Сделан вывод, что эта звезда является наиболее проэволюционировавшей из всех программных звезд и находится на фазе субгиганта.

В разделе 6.3 описан анализ химического состава HD 210681. Для опре деления содержаний элементов, а также скорости вращения V sin i исполь зовался метод синтетических спектров. Наилучшее согласие между наблю даемым и теоретическим спектрами достигается при V sin i = 3 км/с. Было определено относительное содержание тугоплавких и летучих элементов в фотосфере звезды. Зависимость относительного содержания элементов от температур конденсации показана на Рис. 3. Обнаружено значимое уве личение избытков содержания элементов в атмосфере HD 210681 с ростом температуры конденсации элементов Tc.

В разделе 6.4 даны выводы к Главе 6.

В Заключении (Глава 7) сформулированы основные результаты, по лученные в диссертации.

В приложении A представлены физические параметры звезд с пла нетами и дебрис-дисками, а также даны содержания элементов в их атмо сферах.

Лучевые скорости Ba 0-звёзд, полученные по различным линиям в их спектрах, даны в приложении B. В этом же приложении табулированы ошибки содержаний элементов в атмосферах этих звезд, обусловленные неточностью принятых значений фундаментальных параметров звезд.

Рис. 3. Относительное содержание [X/H] летучих и тугоплавких элементов в зависимости от их температуры конденсации Tc в атмосфере звезды HD 210681.

В приложении C даны атомные данные для линий в спектрах умерен ных бариевых звезд и приведены эквивалентные ширины линий в спектрах.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Результаты спектроскопических исследований пяти пекулярных звезд (CD-65 2893, HD 22229, HD 66812, HD 56523 и HD 31341) и вывод о том, что эти объекты являются умеренными бариевыми звездами.

2. Результаты определения фундаментальных параметров и содержания химических элементов в атмосферах 15 звезд с экзопланетами, дебрис дисками и гибридных систем, имеющих как планетные системы, так и дебрис-диски.

3. Вывод о повышенных содержаниях тугоплавких элементов по сравне нию с солнечными для звезд с дебрис-дисками и гибридных систем, имеющих металличность [Fe/H] 0.

Публикации по теме диссертации:

Материалы диссертации опубликованы в восьми печатных работах:

1. Рохас М.M., Бариевые звёзды, Труды 39-ой Международной студен ческой научной конференции ”Физика Космоса”, стр. 146 (2010);

2. Rojas M., Drake N.A., Pereira C.B., Physical parameters and Chemical compositions of a group a mild Barium stars, JENAM 2011, European Week of Astronomy and Space Science, Book of Abstract, p. 81 (2011);

3. Рохас М., Драке Н.А., Перейра К.Б., Холтыгин А.Ф., Физические параметры и химический состав группы умеренных Бариевых звёзд, Астрофизика, 56, 69-79 (2013);

4. Rojas M.M., Drake N.A., Chavero C., Pereira C.B., Kholtygin A.F., Abun dance pattern analysis of planet-hosting and debris-disk stars, Tenth Pacic Rim Conference on Stellar Astrophysics,

Abstract

Book, p. 34 (2013);

5. Рохас М., Драке Н.А., Чаверо К., Перейра К.Б., Холтыгин А.Ф., Со ловьев Д.И., Анализ химического состава атмосфер звёзд с дебрис дисками и планетными системами, Астрофизика, 56, 503-515 (2013) 6. Rojas M.M., Drake N.A., Chavero C., Pereira C.B., Kholtygin A.F., Cahu asqui J.A., Abundances for planet-hosting and debris-disk stars Putting A Stars into Context: Evolution, Environment, and Related Stars, Abstract Book, p. 37 (2013);

7. Rojas Garcia M.M., N.A. Drake, C. Chavero C, C.B. Pereira, A.F. Kholty gin, J.A. Cahuasqui, Fundamental parameters and abundance patterns of a sample of debris-disks and planet-hosting stars, EWASS 2013, European Week of Astronomy and Space Science, Abstract Book, p. 120 (2013);

8. Рохас М.М., Драке Н.А., Чаверо К., Перейра К.Б., Холтыгин А.Ф., Соловьев Д.И., Анализ химического состава атмосфер звёзд с дебрис дисками и планетными системами, Астрофизика, Всероссийская аст рономическая конференция Многоликая Вселенная, Тезисы докладов, стр. 225 (2013).

Личный вклад автора:

В статьях 1, 3, 5, 6, 8 автору принадлежат определение фундаменталь ных параметров программных звезд и содержаний элементов в их атмо сферах и частично выяснение их эволюционного статуса.

В статьях 2, 4 и 7 автору принадлежат определение параметров звезд и анализ полученных результатов совместно с другими соавторами.

Список литературы [1] Bond J.C., Lauretta D.S., Tinney C.G., et al., Astrophys. J., 682, 1234 (2008).

[2] Chen Y.Q., Zhao G., Astrophys. J., 131, 1816 (2006).

[3] Ecuvillon A., Israelian G., Santos N. C., et al., Astron. Astrophys., 445, 663 (2006).

[4] Golimowski D.A., Ardila D.R., Krist J.E., et al., Astron. J., 131, 3109 (2006).

[5] Gonzalez G., Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 386, 928 (2008).

[6] Gonzalez G., Laws C., Astron. J., 119, 390 (2008).

[7] Israelian G., Delgado M.E., Santos N.C., et al., Nature, 462, 189 (2009).

[8] Melendez J., Ramirez I., Casagrande L., et al., Astrophys. and Space Science, 328, 193 (2010).

[9] Robinson S.E., Laughlin G., Bodenheimer P., et al., Astrophys. J., 643, 484 (2006).