Universitätsbibliothek Wien

Tracing dust in old stellar populations

Richter, Hannes (2010) Tracing dust in old stellar populations.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Lebzelter, Thomas

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29570.70821.942564-9
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Abstract in English

Asymptotic Giant Branch (AGB) stars are considered to be the main stellar dust producers in the universe. Their dusty circumstellar shells leave fingerprints in the mid-infrared (MIR) spectra of AGB stars and in unresolved old stellar populations. Bressan et al. (2007) showed that co-added MIR-spectra of AGB stars of known luminosity, metallicity and age (like those found in the Galactic globular cluster NGC104) can be used to model the 10 μm dust excess in early-type galaxies. This work aims to improve our understanding of the MIR-spectra of old stellar populations with respect to their metallicities by studying a large sample of AGB stars in Galactic globular clusters. A sample of AGB stars (taken from Lebzelter et al. 2006 and Sloan et al. 2010) is used to produce co-added MIR-spectra of globular cluster combinations for three metallicity groups. Each group consists of several globular clusters with similar age and metallicity. Combining the clusters leads to a higher number of AGB stars with available Spitzer spectra in each group. The low metallicity group (Z=0.0038) consists of five globular clusters with 18 AGB star spectra, the intermediate (Z=0.0058) and high (Z=0.01) metallicity groups both include three clusters with eight and seven available MIR-spectra, respectively. Stars within the 90% mass radius of each globular cluster are used to generate 2MASS Color- Magnitude diagrams (CMDs) of each cluster combination. Binning the stars in the CMDs with respect to their MK-values results in Luminosity Functions (LFs) for the cluster combinations. The LFs based on 2MASS data are compared to LFs obtained using theoretical isochrones from the Padova group (Bertelli et al. 2008, Marigo et al. 2008). Using the 2MASS LFs integrated MIR-spectra of the three globular cluster combinations are derived by weighting the existing spectra with the total number of AGB stars within each MK-bin of the LFs along the upper giant branch. This relies on the assumption that stars that occupy the same area in the CMD are comparably evolved and have similar MIR-spectra. The excellent coverage of the AGB in NGC104, both photometrically and spectroscopically, allows to investigate the effect of various weighting methods like different LFs or assumptions on the frequency of TP-AGB stars in their minimum phase. In this context it is also possible to reproduce the flat dust excess and the reduced silicate domination found in early-type galaxies. For the intermediate and high metallicity groups such a study is not successful due to the limited number of spectra available in these groups. We report that all co-added MIR-spectra are dominated by a prominent dust excess due to silicate grains present in the stellar outflows. The excess increases with increasing metallicity. A future perspective of the project would be to achieve a more complete observational coverage of stars evolving up the AGB at intermediate metallicities, which would lead to a further improved understanding of the integrated MIR-spectra of old unresolved stellar populations in general. The thesis is completed by first model calculations to predict the MIR-spectrum using the wind code by H.-P. Gail.

Schlagwörter in Englisch

stardust / cosmic dust / stellar populations / AGB stars / mid-infrared spectrum / globular clusters

Abstract in German

In den ausgedehnten Atmosphären und kühlen stellaren Winden von Sternen am sog. Asymptotischen Riesenast (engl. Asymptotic Giant Branch, AGB) bieten sich optimale Bedingungen für die Entstehung von kosmischen Festkörpern. Diese Staubpartikel hinterlassen ihre Spuren in den mittleren Infrarot (MIR) Spektren von alten stellaren Populationen. Die MIR-Spektren der AGB-Sterne des Kugelsternhaufens NGC104 konnten beispielsweise für die Erklärung des 10 μm-Infrarot-Exzesses in alten Galaxien verwendet werden. Im Rahmen dieser Dissertation soll der Einfluss der Metallizität auf das MIR-Spektrum von alten stellaren Populationen untersucht werden. Die Grundlage für die Erstellung von integrierten MIR-Spektren bildet eine Auswahl von AGB-Sternen aus verschiedenen Kugelsternhaufen (Lebzelter et al. 2006 und Sloan et al. 2010). Diese werden entsprechend ihrer Metallizität und ihres Alters in drei Gruppen zusammengefasst. Dadurch beinhalten die jeweiligen Sternhaufen-Kombinationen eine größere Anzahl von mit dem Weltraumteleskop Spitzer beobachten AGB-Stern-Spektren. Für die Erstellung von Farben-Helligkeitsdiagrammen der drei Kugelsternhaufen-Kombinationen werden die Sterne innerhalb des 90%-Massenradius der jeweiligen Sternhaufen verwendet. Um Leuchtkraftfunktionen (LFs) zu erstellen, können die Sterne anhand ihrer K-Magnitude in kleine Helligkeitsintervalle aufgeteilt werden. Diese auf 2MASS-Daten basierenden LFs werden in weiterer Folge mit LFs verglichen, die mittels theoretischer Isochronen der Padova-Gruppe (Bertelli et al. 2008, Marigo et al. 2008) berechnet werden. Für die drei Kugelsternhaufen-Kombinationen werden mittels der 2MASS-Daten integrierte MIR-Spektren erstellt. Dafür werden die einzelnen Spektren der beobachteten AGB-Sterne mit der Sternanzahl aus den passenden LF-Intervallen gewichtet. Dies erfolgt unter der Annahme, dass Sterne mit gleicher Position im Farben-Helligkeitsdiagramm gleiche oder ähnliche MIR-Spektren aufweisen. Die ausgezeichnete photometrische und spektroskopische Erfassung von NGC104 erlaubt die Erforschung von unterschiedlichen Gewichtungsarten, wie beispielsweise diverser LFs oder verschiedener Häufigkeiten von TP-AGB-Sternen im Helligkeitsminimum. In diesem Zusammenhang ist es möglich, den flachen Staub-Exzess zu reproduzieren, wie er auch in Early-Type- Galaxien gefunden werden kann. Für die beiden Kugelsternhaufen-Kombinationen mit höherer Metallizität ist eine derartige Untersuchung aufgrund der geringen Anzahl an vorhandenen MIR-Spektren nicht möglich. Alle integrierten MIR-Spektren werden von Silikat-Staubbanden dominiert. Der Staub-Exzess nimmt mit steigender Metallizität zu. Als Perspektive für unsere Forschung gilt es, für mehr Beobachtungsmaterial von Sternen, die sich am AGB befinden, zu sorgen. Dies würde zum besseren Verständnis von integrierten MIR-Spektren alter Sternpopulationen beitragen. Ein erster Vergleich mit synthetischen Sternspektren zeigt eine weitere Zugangsmöglichkeit auf und bildet einen Ausblick auf künftige Projekte.

Schlagwörter in Deutsch

kosmischer Staub / stellare Populationen / AGB Sterne / mittleres Infrarot Spektrum / Kugelsternhaufen

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Richter, Hannes
Title: Tracing dust in old stellar populations
Subtitle: the mid-infrared spectrum of globular cluster AGB stars
Umfangsangabe: V, 169 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Publication year: 2010
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Lebzelter, Thomas
Assessor: Zeilinger, Werner
2. Assessor: Marigo, Paola
Classification: 39 Astronomie > 39.40 Sternsysteme, Sterne
39 Astronomie > 39.43 Interstellare Materie
39 Astronomie > 39.22 Astrophysik
AC Number: AC08464438
Item ID: 13369
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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