University of Groningen
On the complex stellar populations of ancient stellar systems
Savino, Alessandro
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Savino, A. (2018). On the complex stellar populations of ancient stellar systems. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
S
AMENVATTING
Een van de belangrijkste onderzoeksgebieden in de moderne astrofysica betreft de vorming van sterrenstelsels en andere stersystemen. Terwijl astronomen over een grote hoeveelheid data beschikken van de eigen-schappen van het hedendaagse universum, wordt onze kennis in grotere mate beperkt naarmate we verder terug gaan in de tijd. Een duidelijk begrip van de vorming van stersystemen in het vroege universum is niettemin van groot belang. Een veelgebruikte manier om het vroege universum te bestuderen, is door middel van oude stersystemen in de buurt te observeren en vervolgens hun verleden te reconstrueren, gebaseerd op hun huidige eigenschappen. Deze methode wordt ook wel “Stellaire Archeologie” genoemd.
Een opmerkelijke ontdekking van stellaire archeologische studies, is dat vele oude stersystemen veel complexer zijn dan eerder gedacht werd. De sterren waaruit deze systemen bestaan, kunnen in verschillende popu-laties onderverdeeld worden, gebaseerd op verschillen in de chemische samenstelling, beweging, en mogelijk de leeftijd. Deze ontdekking geeft aan dat deze objecten op een complexe manier gevormd zijn, die we nog niet volledig begrijpen.
Complexe sterpopulaties in dwergsterrenstelsels
Dwergstelsels zijn kleine sterrenstelsels, die tientallen tot duizenden keren lichter zijn dan de Melkweg, en vertegenwoordigen het meest voorkomende type sterrenstelsels in het universum. Het begrijpen van de formatie van deze objecten is erg belangrijk, omdat ze worden beschouwd als de bouwstenen, die samen grotere sterrenstelsels gevormd hebben. Onder deze objecten bevinden zich bolvormige dwerg sterrenstelsels, (Fig. 1) die behoren tot de eenvoudigste sterrenstelsels. Ze bestaan voornamelijk uit oude sterren, daarnaast werd er gedacht dat ze een eenvoudige formatiegeschiedenis ondergaan zijn.In de afgelopen 20 jaar is echter erkend dat zelfs bolvormige dwergs-terrenstelsels verschillende populaties van sterren bevatten, waarvan de
SAMENVATTING
Figuur 1: Afbeelding, verkregen met de Hubble Ruimte Telescoop, van een bolvormige dwergsterrenstelsel. Dit sterrenstelsel, Tucana, is bestudeerd in hoofdstuk 4. Kredieten: LCID-team
oorsprong nog onbekend is. De complexe aard van de sterpopulaties in deze sterrenstelsels kan op veel manieren onthuld worden, bijvoorbeeld door het meten van de bewegingen van sterren, hun chemische samenstelling, of hun positie in het sterrenstelsel. Er zou dan een vergelijkbare complexiteit verwacht worden in de snelheid waarmee nieuwe sterren gevormd werden in deze sterrenstelsels gedurende hun leeftijd. Dit wordt ook wel de “stervormingsgeschiedenis” genoemd en kan worden bepaald door de temperatuur en lichtsterkteverdeling van de sterren in de systemen die we
observeren te analyseren. Tot op heden is de complexe geschiedenis van stervorming alleen in extreme bolvormige dwerg sterrenstelsels gemeten. Momenteel worden de beste metingen met betrekking tot de ster-vormingsgeschiedenis verkregen, door waterstof-brandende sterren te bestuderen, de zogenaamde “hoofdreeks” sterren. Deze sterren worden heel goed begrepen, hun leeftijd kan heel eenvoudig bepaald worden aan de hand van hun lichtkracht en temperatuur. Dit zijn echter sterren met een heel zwakke lichtkracht, en zorgt voor twee moeilijkheden. Ten eerste, deze sterren kunnen alleen waargenomen worden in kleine aantallen in zeer nabije sterrenstelsels. Bovendien, zelfs wanneer we deze sterren waarnemen, zullen de grote onzekerheden in hun lichtsterkte en temperatuur de nauwkeurigheid beperken waarmee we de leeftijd kunnen bepalen. Dit is een mogelijke oorzaak waarom we niet veel complexe stervormingsgeschiedenissen hebben waargenomen.
Horizontale tak sterren als leeftijdsindicatoren
Afhankelijk van hun massa en leeftijd, kunnen sterren verschillende nucle-aire brandstoffen verbranden in hun interieur. Hoewel de meerderheid van de sterren waterstof verbrandt in hun kernen, verbrandt een fractie helium. Wanneer helium-brandende sterren massa’s hebben die vergelijkbaar of lager zijn dan de massa van de zon, worden dit “horizontale tak sterren” genoemd. Dergelijke sterren worden in bijna alle oude sterpopulaties aangetroffen.
In oude stersystemen zijn horizontale tak sterren veel helderder dan hoofdreekssterren. Bovendien is hun temperatuurverdeling zeer gevoelig voor de stervormingsgeschiedenis van het sterrenstelsel waarin ze zich bevinden. Om deze redenen hebben deze sterren het potentieel om nauwkeurige leeftijdsmetingen te leveren. Niet alleen de analyse van horizontale tak sterren zou tot naukeurige stervormingsgeschiedenissen kunnen leiden, maar dankzij hun helderheid zou het kunnen worden uitgevoerd op een groot aantal sterrenstelsels, waar hoofdreekssterren niet waargenomen kunnen worden.
Het is echter ingewikkelder om leeftijden van horizontale tak sterren af te leiden ten opzichte van hoofdreekssterren. Voordat helium verbranding plaats vindt, ondergaan deze sterren een fase waarin ze een aanzienlijke hoeveelheid massa verliezen, als gevolg van stellaire winden. De hoeveelheid verloren massa verandert de temperatuur van horizontale tak sterren. Een beter begrip van deze parameter, die tot op heden beperkt is, is dan ook essentieel om betrouwbare leeftijden af te leiden. Ons gebrek
SAMENVATTING
Figuur 2: M13, een heldere bolvormige sterrenhoop in het sterrenbeeld Hercules. Dit object is bestudeerd in hoofdstuk 5. Kredieten: Marco Burali, Tiziano Capecchi en Marco Mancini.
aan kennis over massaverlies van deze sterren is de belangrijkste reden waarom horizontale tak sterren niet routinematig gebruikt worden om stervormingsgeschiedenissen te bepalen.
Complexe sterpopulaties in bolvormige
sterrenho-pen
Bolvormige sterrenhopen zijn compacte ophopingen van sterren, aanwezig in onze Melkweg en de meeste externe sterrenstelsels (Fig. 2). Deze objecten zijn erg oud en worden gezien als de overblijfselen van de vorming van grote sterrenstelsels.
Jarenlang werd gedacht dat bolvormige sterrenhopen bestaan uit sterren met dezelfde leeftijd en chemische samenstelling. Tegenwoordig is duidelijk dat ook bolvormige sterrenhopen over complexiteiten in hun sterpopulaties kunnen beschikken. Deze complexiteiten verschillen intrinsiek van die, die gevonden zijn in dwergstelsels, en zijn misschien zelfs raadselachtiger.
Terwijl de hoeveelheid van bepaalde elementen, zoals ijzer en nikkel, per massa eenheid hetzelfde is tussen verschillende sterren in een bolhoop, tonen de mate van aanwezigheid van bepaalde elementen zoals koolstof, stikstof en helium een variatie van ster tot ster. Sterren in een bolhoop worden meestal gegroepeerd in een “oer” populatie en een “verrijkte” populatie, gebaseerd op hun chemische samenstelling. De oorsprong van deze veelvoudige sterpopulaties is nog steeds een mysterie, tot op heden is er geen bevredigende verklaring voor de eigenschappen van deze sterren. Een belangrijke bron van informatie om dit probleem te begrijpen, is waar sterren van verschillende groepen worden gevonden in een bolhoop. Afhankelijk van de manier waarop deze veelvoudige populaties zijn ontstaan, kunnen we verwachten dat de fractie van oersterren ten opzichte van verrijkte sterren anders is naarmate we ons van het centrum van een bolhoop naar de buitengebieden verplaatsen. Het verkrijgen van metingen van de chemische samenstelling voor een groot aantal sterren in een bolhoop is echter zeer tijdrovend. Een alternatieve techniek, is om naar de kleur van rode reus sterren te kijken om zo hun chemische samenstelling vast te stellen. Dit is een effectieve strategie om een groot aantal sterren te classificeren, maar vereist data van goede kwaliteit, die vaak verkregen wordt met de Hubble Ruimte Telescoop, puur gericht op het centrum van een bolhoop, waarbij de buitengebieden verwaarloosd worden.
Dit proefschrift
In dit proefschrift behandel ik onderzoek dat gericht is tot het verkrijgen van een beter begrip van de complexe populaties in oude stersystemen om ons heen. Het grootste gedeelte van mijn werk (Hoofdstukken 2, 3, 4) spitst zich toe op het gebruik van horizontale tak sterren, om zo metingen van stervormingsgeschiedenissen in nabijgelegen sterrenstelsels te verbeteren. Ook toon ik onderzoek naar de meervoudige sterpopulaties van de bolvormige sterrenhoop M13 (hoofdstuk 5).
In hoofdstuk 2 analyseer ik een bolvormig dwerg sterrenstelsel, genaamd Carina. Ik begin mijn studie met als doel om een bestaande stervormingsgeschiedenis te gebruiken, die afgeleid is van dit sterrenstelsel met behulp van waterstof-brandende sterren, om zo de eigenschappen van de horizontale tak sterren van Carina te reproduceren. Ik merk echter dat, met de veronderstelde stervormingsgeschiedenis, geen bevredigend model van deze sterren kan worden gevonden. De meest waarschijnlijke verklaring voor deze onenigheid, is dat de nauwkeurigheid van de
SAMENVATTING
stervormingsgeschiedenis, afgeleid van hoofdreekssterren onvoldoende is om de gedetailleerde temperatuurverdeling van horizontale tak sterren te voorspellen.
Vervolgens onderzoek ik welke beperkingen kunnen worden opgelegd aan de stervormingsgeschiedenis van Carina, gebaseerd op wat we weten over horizontale tak sterren. Ik laat zien dat de stervormingsgeschiedenis van dit sterrenstelsel consistent is met verschillende voorvallen van stervorming, integestelling tot een continue verdeling. Het gebrek aan kennis over de precieze hoeveelheid verloren massa door horizontale tak sterren, samen met de zeer eenvoudige analyse die ik uitvoer in dit hoofdstuk, stellen mij niet in staat om betrouwbare leeftijdsmetingen uit te voeren van deze gebeurtenissen en hoe krachtig ze waren.
De hoofdconclusie die in dit hoofdstuk wordt bereikt, is een bevestiging, zoals verwacht van theoretische modellen, van het vermogen van het analyseren van horizontale tak sterren om leeftijdsmetingen te verfijnen voor sterren in externe sterrenstelsels. De resultaten van dit werk zijn een eerste aanwijzing dat populaties van sterren die we zien in bolvormige dwerg sterrenstelsels het resultaat zijn van meerdere gebeurtenissen van stervorming in het verre verleden van deze objecten. Bovendien, zelfs als er geen kwantitatieve meting kunnen worden verricht, onthult het modelleren van horizontale tak sterren in Carina dat de hoeveelheid verloren massa door deze sterren vergelijkbaar is met eerdere metingen in een ander sterrenstelsel, de Beeldhouwer.
Het onderzoek dat op Carina uitgevoerd is, ondersteunde de haal-baarheid van de ontwikkeling van een geavanceerdere analysetool, om de eigenschappen van horizontale tak sterren te betrekken bij het meten van stervormingsgeschiedenissen. Deze tool, genaamdMORGOTHdat ik in hoofdstuk 3 behandel, gebruikt een betrekkelijke rekenkracht voor het modelleren van hoofdreekssterren en horizontale tak sterren om gelijktijdig nauwkeurige stervormingsgeschiedenissen en de hoeveelheid verloren massa door horizontale sterren te meten.
Met behulp van gesimuleerde waarnemingen test ik MORGOTH, en kom tot de conclusie dat het de precisie van leeftijdsmetingen van oude sterren kan verdubbelen, ten opzichte van alleen gebruik te maken van waterstof-brandende sterren. Een bijkomende test op een goed bestudeerd sterrenstelsel, de Beeldhouwer, bevestigt de betrouwbaarheid van deze metingen, zowel voor de stervomingsgeschiedenis als het massa verlies. Het meenemen van informatie over helium-brandende sterren onthult dat ook in dit sterrenstelsel twee gebeurtenissen van sterformatie plaatsgevonden hebben.
De mogelijkheden van de methode die in dit hoofdstuk ontwikkeld is, maakt interessante opties mogelijk voor de studie van sterrenstelsels om ons heen. De toegenomen precisie van leeftijdsmetingen betekent dat we een gedetailleerdere kijk kunnen hebben naar het oude verleden van nabije sterrenstelsels, en het maakt het gemakkelijker om verschillende fasen van activiteit te identificeren in hun stervormingsgeschiedenis. De mogelijkheid om leeftijden toe te kennen aan verschillende sterpopulaties die waargeno-men worden in dwerg sterrenstelsels, zal een stukje informatie toevoegen over deze systemen en helpt ons de puzzel van hun formatie op te lossen. Bovendien maakt het vermogen om het massaverlies van een sterren te meten, de weg vrij voor metingen van de stervormingsgeschiedenis, die alleen op horizontale tak sterren gebaseerd zijn. Zodra we dit bereiken, zullen we toegang hebben tot de formatiegeschiedenis van veel meer sterrenstelsels, waardoor het bereik van sterrenarcheologie verder dan ooit uitgebreid wordt.
In hoofdstuk 4 focus ik me op een uitdagender sterrenstelsel, genaamd Tucana. Dit sterrenstelsel bevindt zich aan de rand van de Lokale Groep van sterrenstelsels, en dankzij zijn afstand, hebben we geen gedetailleerde informatie over zijn sterpopulatie. De gelijktijdige analyse van horizontale tak en hoofdreekssterren metMORGOTH, mogelijk dankzij de nauwkeurige data van de Hubble Ruimte Telescoop, geeft een zeer gedetailleerde stervormingsgeschiedenis van dit sterrenstelsel, waar drie verschillende fasen van stervormingsactiviteit kunnen worden ge¨ıdentificeerd. Dit resultaat ondersteunt het idee dat complexe stervormingsgeschiedenissen gebruikelijke kenmerken zijn van bolvormige dwerg sterrenstelsels. De positie van de verschillende sterpopulaties in Tucana onthullen dat jongere sterren bij voorkeur in het centrale gebied van dit sterrenstelsel gevormd werden. De kwaliteit van de data die voor deze analyse gebruikt werd, maakte een zeer nauwkeurige meting mogelijk van het massaverlies van sterren, compatibel met wat gemeten is in Beeldhouwer.
Hoofdstuk 5 behandelt een ander onderwerp, en bestudeert de complexe sterpopulatie van M13, een heldere en massieve bolhoop in onze Melkweg. Ik combineer data van de Hubble Ruimte Telescoop met data van een observatorium op de aarde om de kleur van rode reuzensterren in M13 te bestuderen, naast het identificeren van oer en verrijkte sterren, zowel in het centrum als in de buitengebieden van de bolhoop. Naast een verificatie van de analysetechniek, die gebruikt is in deze studie, laat dit hoofdstuk zien dat de verhouding van oer tot verrijkte sterren in M13 niet varieert met de afstand tot het centrum van de bolhoop. Een dergelijke bevinding suggereert dat de twee sterpopulaties vermengd zijn met tijd, vanwege evolutionaire effecten, waardoor deze homogeen verdeeld werd.
SAMENVATTING
Om te concluderen, verschaft het onderzoek in dit proefschrift analysetools om een dieper inzicht in de oude sterpopulaties te verschaffen, zowel binnen als buiten onze Melkweg. Het natuurlijke vervolg van dit onderzoek, is om vergelijkbare studies uit te voeren op een groter aantal stersystemen, om naar verschillen en overeenkomsten in sterpopulaties van verschillende objecten te kijken, om zo een weg vrij te maken voor de toenemende waarneemcapaciteiten die de volgende generatie observatoria in het komende decennium kunnen bieden.
