The first supernovae and the mass distribution of Population III stars

Abstract

The properties of the early Milky Way are quite mysterious and some are completely unknown
even today. This study is the first one ever to analyze the mass distribution of
Population III bulge stars. Using the fitting code STARFIT, we perform an analysis of 65
bulge metal-poor stars obtained by the EMBLA survey to estimate the IMF (initial mass
function) of the very first stars that defined our galaxy. We report that the determined
majority of stars are low mass in the range of 9.6-15 M_Sun. Using the whole sample of
stars we first perturb all abundances within their own uncertainties 50 times for each star
and obtained the best fitting progenitor mass. Thereafter we carry out 50000 iterations
of Monte-Carlo simulations on all obtained masses and calculate the mean masses of the
progenitors. Upon fitting an IMF we find that this sample is best described by a power-law
function with an exponent alpha = 1.01. By removing masses in the mass range of 15−30 M_Sun
we obtain alpha = 2.33, which is almost identical to the one found by Salpeter 1955 and Fraser
et al. 2017. The exclusion of these masses is motivated by the fact that an appreciable
fraction of the stars in that mass range end their lives by becoming black holes. (Heger
and Woosley 2010)

Popular Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig beskrivning: Att veta hur olika saker i världen kom till hjälper en att släcka den törstiga sömn-förstörande nyfikenheten. Många har ställt sig frågan: hur skapades universum? Någorlunda hela svar har lagts fram (som till exempel teorin om Big Bang), men det finns mer att upptäcka. På en relativt mindre skala kan man fråga sig hur skapades Vintergatan? Ännu en fråga delvis svarad med många okända delar. Men detta project kommer försöka trassla ut en del av dem okändheter som regerade över Vintergatans tidiga dagar. Big Bang producerade allt väte och helium i universum. När universum svalnat tillräckligt började dessa grundämnen klumpa ihop, vilket i slutändan ledde till formation av de första stjärnorna någonsin, så-kallade första generationens stjärnor. Enligt vår nuvarande förståelse avslutade dessa stjärnor deras korta liv med enorma supernovaexplosioner i vilka nya grundämnen som som kol, kväve, syra, och järn, producerades. Denna nyfödda blandning av grundämnen, inklusive väte, började klumpa ihop sig ännu en gång, och gav liv till nya stjärnor. Eftersom ingenting varar för evigt dog även dessa stjärnor spottande deras bråte över hela universum. Allt eftersom denna cykel återupprepades skapades mer tyngre grundämnen än väte. Grundämnena som finns i solen kommer också ifrån dessa cyklar. Med det sagt så är den kemiska uppsättningen av en stjärna en första indikator av dess ålder. Löst sagt så desto mindre tunga grundämnen det finns i en stjärna desto längre tillbaka i tiden formades den. Det huvudsakliga grundämnet astronomer använder för att bedöma ålder på en stjärna är järn för att det är enkelt att mäta på tack vare dess stora antal linjer i spektrumet. Med Anglo-Australiska och Magellan Clay teleskopen observerades bulben (centrala delen) av Vintergatan i vilken 65 extremt metal-fattiga stjärnor identifierades och publicerades av Howes et al. 2014, 2015, 2016. Förvånande nog har en av dessa stjärnor 10000 gånger mindre järn i sig än solen, vilket indikerar att den föddes 300 miljoner år efter Big Bang! (För jämförelse har universum existerat i 14,6 miljarder år) Eftersom den har järn i sig alls vet vi att den inte kan vara en första generationens stjärna, men den kan vara en av dess tidigaste avkommor. Den kemiska kompositionen gömmer också det förflutnas hemligheter, vilket betyder att genom att analysera spektra kan vi beräkna egenskaperna av föräldrastjärnan (föregångaren) til dessa 65 följdstjärnor, vilket är vad detta projekt kommer att handla om. Detta kommer att göras med ett program som heter STARFIT (Heger & Woosley 2010), vilket skulle passa (kallat fitting på engelska) grundämnens mängd av de 65 bulbstjärnorna till de 17640 teoretiska evolutionära stjärnmodeller och supernovor som kan ha producerat dem. Genom att analysera den bästa passningen kan föregångarens egenskaper bestämmas. Särskilt kommer vi veta föregångarens massa och kvaliteten av passningen. Slutligen kommer dessa egenskaper användas för att bestämma en funktion som beskriver den probabilistiska distributionen av stjärnmassor i den tidiga vintergatan. Denna studie kommer lägga till ännu en punkt till den kosmiska kanvasen, vilket kommer hjälpa det vetenskapliga samfundet måla en tydligare bild av hur vår Galax såg ut som nyfödd.

• author: Mikitas, Martin
• supervisor: Louise Howes
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTK02 20172
• year: 2018
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Astronomy, Supernovae, STARFIT, Salpeter, IMF
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2018-EXA136
• language: English
• id: 8954750
• date added to LUP: 2018-07-10 15:26:34
• date last changed: 2018-07-10 15:26:34