Experimental and Computational Atomic Spectroscopy for Astrophysics : Oscillator strengths and lifetimes for Mg I, Si I, Si II, Sc I, and Sc II

Abstract

Atomic data such as oscillator strengths and wavelengths are important for astrophysical applications as they have a crucial role in determining abundances of specific elements in a star, a galaxy, or any object emitting radiation in the space. Stars in the Galaxy mostly keep the composition of the interstellar gas from which they were formed, therefore studying stellar abundances helps us understand how the Milky Way was formed and how it evolved. However, atomic data of most chemical elements are incomplete and/or have low quality, particularly for the infrared wavelength region and for the highly excited levels.
This PhD project focuses on completing missing atomic data for the infrared region in addition to the optical and UV regions, and improving the existing data. In order to achieve this, I have performed both laboratory measurements and large scale atomic structure calculations.
Experimental oscillator strengths have been derived by combining measured branching fractions with radiative lifetimes. A hollow cathode discharge lamp has been used as a light source to produce free atoms in a plasma and a Fourier transform spectrometer has recorded the intensity-calibrated high-resolution spectra. In addition, atomic structure calculations have been performed using the multiconfiguration Hartree-Fock programmes ATSP2K and GRASP2K to determine oscillator strengths and lifetimes. Combining the experimental work with the computational approach allows determining a large set of accurate and validated atomic data.
In this thesis, an evaluated set of atomic data for Mg I, Si I, Si II, Sc I, and Sc II has been provided for astrophysical applications. The experimental oscillator strengths in the infrared region have been measured for the first time. The uncertainties in the experimental oscillator strengths are as low as 5% for strong transitions. The theoretical oscillator strengths are validated with the experimental values and with internal investigations of the length and velocity forms. The small uncertainties in the values allow accurate astrophysical abundance determinations within the 0.1dex uncertainty.

Abstract (Swedish)

Precis efter Big Bang fanns endast tre grundämnen: väte, helium och en liten mängd litium. De första stjärnorna föddes i gasmoln som innehöll dessa ämnen. När den första generationen stjärnor i slutet av sina liv exploderade som supernovor spreds de tyngre grundämnena som tillverkats ut i det interstellära mediet. Nästa generations stjärnor bildades från detta berikade medium, och innehöll därför fler metaller. Fortsatta cykler av födsel och död av stjärnor berikar universum med högre ymnighet av metallerna. I stjärnor med liten massa, som vår sol, bildas flera lättare ämnen i stjärncentrum, medan neutroninfångningsämnen på grund av långsamma neutroninfångningsreaktioner bildas i stjärnornas inre. Dessa ämnen berikar stjärnatmosfären när de förflyttas upp till ytan under den så kallade AGB-fasen, innan stjärnan blir en planetarisk nebulosa. Under denna fas skickas stjärnans yttre lager ut av stjärnvindarna och resterande kärna kallas en vit dvärg. Stjärnor med stor massa kan producera ämnen upp till järn under sina livstider och tyngre ämnen bildas medan de exploderar som supernovor i slutet av sina liv.

Majoriteten av informationen vi har om stjärnor är dold i deras ljus. Astronomer analyserar ljuset från stjärnor för att förstå vilka atomer och molekyler som finns och i vilka ymnigheter de finns i stjärnorna. Eftersom stjärnor i vår galax oftast avspeglar det interstellära medium där de föddes kan analysen av stjärnornas ljus fungera som ett verktyg för att konstruera den evolutionära historien för Vintergatan. För att analysera ljuset är atomära data såsom våglängder och oscillatorstyrkor för övergångar grundläggande. För vissa element är emellertid dessa data ofullständiga eller av låg kvalitet, särskilt i det infraröda området. Detta gör det i sin tur svårt att studera den galaktiska utvecklingen med hjälp av infraröda spektra. Mitt arbete har varit inriktat på bestämma saknad atomdata och förbättra befintliga data, med fokus på oscillatorstyrkor.

Teknikerna har varit både experimentella och beräkningsbaserade. Experimentella
mätningar har utförts vid Edlén-laboratoriet vid den astronomiska institutionen, Lund High Power Laser Facility vid Fysikinstiutionen vid Lunds universitet samt Blackett Laboratory vid Imperial College i London. Vi har använt högupplösande Fourier-transformationsspektrometrar med en hålkatodurladdningsljuskälla samt pulsade lasrar för att mäta livstider. I laboratoriet har vi skapat plasmor med de grundämnen som vi vill studera. Genom att studera ljuset från dessa plasmor har de atomära parametrar, såsom oscillatorstyrkor som relaterar till linjernas inre styrka, och livstider som relaterar till populationen hos atomära tillstånd innan de faller ner till lägre nivåer, bestämts. I de fall där övergångar faller i våglängdsområden som inte experimentinställningen är känslig för eller för tillstånd som inte populeras, har vi använt beräkningar för att komplettera saknade atomparametrar. Genom att utföra storskaliga atomstrukturberäkningar med hjälp av programpaketen ATSP2K och GRASP2K kan vi bestämma atomparametrar noggrant.

En omfattande uppsättning noggranna atomdata för ett stort våglängdsintervall har uppnåtts genom att kombinera experiment och beräkningar. De experimentella
resultaten, vilka har små osäkerheter, överensstämmer väl med de tidigare mätningarna i det synliga området och med beräkningar i det aktuella arbetet. Dessutom kompletterar teoretiska beräkningar experimentella värden för ej observerade eller osäkra övergångar. De rapporterade våglängderna hjälper till att erhålla den kemiska sammansättningen, medan oscillatorstyrkor och övergångsstyrkor kan användas för att bestämma ymnigheterna i stjärnor, nebulosor eller till och med planetatmosfärer.

• author: Pehlivan Rhodin, Asli
• supervisor: Henrik Hartman; Per Jönsson; Hampus Nilsson
• opponent: Dr. Nave, Gillian, National Institute of Standards and Technology, NIST, Gaithersburg, USA
• organization: Lund Observatory - Has been reorganised
• publishing date: 2018-02
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics; Astronomy, Astrophysics and Cosmology
• keywords: Atomic Data, Astrophysics - Solar and Stellar Astrophysics
• pages: 139 pages
• defense location: Lundmark lecture hall, Lund Observatory, Sölvegatan 27
• defense date: 2018-03-22 09:00:00
• ISBN: 978-91-7753-534-8
• ISBN: 978-91-7753-533-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4a3ec9ec-d53c-4e82-afe1-9fc80a42f93c
• date added to LUP: 2018-02-21 11:28:35
• date last changed: 2018-11-21 21:38:09