The cosmic origin of fluorine and sulphur: Infrared spectroscopic studies of red giants

Abstract

Disregarding the small primordial traces of the lightest elements, all metals have been formed in stellar processes, which means that the relative amount of metals in the Universe increases for every stellar generation. This build-up of elements is called chemical evolution and might be used both to constrain stellar models as well as understanding the formation and evolution of stellar populations.



In this thesis I determine abundances of two of the least studied elements, fluorine and sulphur, in three different stellar populations in the Milky Way using infrared spectroscopy of giants.



Regarding fluorine the chemical evolution is very unclear because the number of previous observations are small. The cosmic origin of fluorine could still be one or more of three different sources: asymptotic giant branch stars, core-collapse supernovae, or the winds of Wolf-Rayet stars. If the latter is confirmed by observations, fluorine would make a great proxy for the determining whether the initial mass function in the Bulge is different from the solar neighborhood, which has been suggested in several other types of works, but not all. If confirmed, that would tell us that the central parts of our Galaxy have evolved differently than the local Disk. In the thesis I find that all the fluorine in the solar neighborhood most likely was produced by asymptotic giant branch stars, but at the same time find possible indications of fluorine production by Wolf-Rayet stars in the Bulge, indeed suggesting an initial mass function of the Bulge that is skewed towards more massive stars as compared to the solar neighborhood.



When it comes to sulphur, there have been several proposed trends for metal-poor stars. Interestingly some of these observations cannot be explained with classic models of Galactic evolution, thereby questioning some of our understanding of the formation and evolution of the Milky Way. In this thesis I find a Galactic evolution-trend of sulphur following the expected trend from established models and cannot confirm any of the more exotic trends.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I Big Bang, då vårt Universum skapades, bildades i princip endast de två lättaste grundämnena, väte och helium. Alla andra grundämnen har skapats, och skapas fortfarande, i olika typer av stjärnor under olika utvecklingsfaser. Detta betyder att precis alla atomer, förutom väte och helium, som bygger upp alla saker, växter, djur och människor i vår omgivning, har bildats i stjärnor.



När stjärnor har bildat nya grundämnen kan dessa antingen bindas kvar i stjärnan (eller stjärnresten), eller genom olika processer kastas ut i rymden. Dessa utkastade rester används sedan till grund för bildandet av nya stjärnor och himlakroppar i det eviga kosmiska kretsloppet. Stjärnornas ständiga atomproduktion betyder därför, på en astronomisk skala, två saker: halten tyngre grundämnen ökar hela tiden i Universum, och ju senare ett astronomiskt objekt, till exempel en stjärna, bildats, desto större halt tunga grundämnen innehåller det. Den typ av astronomisk forskning som går ut på att mäta den ökande halten av tyngre grundämnen kallas galaktisk kemisk utveckling, och dess resultat kan användas på två olika sätt beroende på om den specifika stjärnprocess (eller processer) som bildar det studerade grundämnet är känd eller ej. För grundämnen med okänt ursprung kan bestämmandet av den galaktiska kemiska utvecklingen ge oss information om när och i vilken typ av stjärna (eller stjärnor) som grundämnet bildas, vilket i sin tur kan ge oss insikt i stjärnors liv och hur de bildas och utvecklas. Ifall ett grundämnes ursprung redan är fastställt, kan uppmätandet av den kemiska utvecklingen i en population stjärnor med hittills okänd historia hjälpa till att fastställa hur stjärnpopulationen i fråga har bildats och utvecklats. I den här avhandlingen bestämmer jag, genom spektroskopiska observationer av stjärnor, de tidigare okända galaktiska kemiska utvecklingstrenderna för grundämnena fluor och svavel med målet att förstå deras kosmiska ursprung.



När det gäller fluor är den galaktiska kemiska utvecklingstrenden väldigt osäker då det endast finns ett fåtal tidigare observationer. Fluors kosmiska ursprung kan fortfarande vara från en eller flera av tre olika källor: asymptotiska jättestjärnor, som är sollika stjärnor fast i ett senare utvecklingssteg, kärnkollapsande supernovor, som är de explosioner som innebär slutet för massiva stjärnors liv, eller så kallade Wolf-Rayet-stjärnor som är väldigt massiva stjärnor. I den här avhandlingen drar jag slutsatsen att allt fluor i solens astronomiska närhet sannolikt har bildats av asymptotiska jättestjärnor. Bilden på omslaget av avhandlingen visar en planetarisk nebulosa som är slutresultatet av den asymptotiska jättefasen; den tidigare jättestjärnan har krympt ihop till den lilla vita dvärg som syns mitt i bilden och runt omkring syns tydligt de ämnen stjärnan bildat och kastat ut i sin närhet. I praktiken innebär alltså mitt resultat att allt fluor vi stöter på, även det i vår tandkräm, sannolikt har bildats på detta vis av solens sedan länge döda släktingar, och att de andra två föreslagna produktionsställena - Wolf-Rayet stjärnor och kärnkollapsande supernovor - inte verkar bidra med särskilt mycket fluor.



Kan dock fluorproduktion i de väldigt massiva Wolf-Rayet-stjärnorna bekräftas genom vidare observationer, innebär detta att fluorhalten kan användas för att avgöra andelen massiva stjärnor som funnits och dött i en population stjärnor med okänd historia. I vissa tidigare arbeten, men inte alla, som undersökt de centrala delarna av vår galax - Bulben - har det precis föreslagits att andelen massiva stjärnor har varit större i Bulben än i solens astronomiska närhet. I den här avhandlingen hittar jag möjliga indikationer på flourbildning i Wolf-Rayet-stjärnor i Bulben, vilket skulle innebära att de centrala delarna av vår Galax har utvecklats annorlunda än den mer yttre belägna delen där vi bor.



Gällande svavel förväntas dess galaktiska kemiska utveckling följa de andra alfaämnena\footnote{Alfaämnen är grundämnen som skulle vara möjliga att bilda genom att addera allt fler alfapartiklar, till exempel syre, magnesium, kisel, svavel, calcium och titan.}, och främst bildas i kärnkollapsande supernovor, men tidigare utförda observationer har uppvisat flera olika svavelhaltstrender för gamla stjärnor, och ifrågasätter därmed en del av vår förståelse av bildandet och utvecklingen av vår galax. En av trenderna kan till exempel eventuellt förklaras om det skedde en stor mängd riktigt kraftiga supernovor - hypernovor - tidigt i vår galax historia. I den här avhandlingen bestämmer jag en svavelhaltstrend som följer vad man förväntar sig från etablerade modeller och hittar inga indikationer på att andelen hypernovor skulle vara så stor att den motsäger andra observationer.

• author: Jönsson, Henrik
• supervisor: Nils Ryde
• opponent: Professor Origlia, Livia, Osservatorio Astronomico di Bologna, Istituto Nazionale di Astrofisica
• organization: Lund Observatory - Has been reorganised; Observational and Theoretical Astrophysics-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Astronomy, Astrophysics and Cosmology
• keywords: Chemical evolution, near-infrared and mid-infrared spectroscopy, stellar abundances
• pages: 94 pages
• defense location: Lundmarksalen, Sölvegatan 27
• defense date: 2015-06-12 13:00:00
• ISBN: 978-91-7623-373-3
• ISBN: 978-91-7623-374-0
• project: PhD project: The cosmic origin of fluorine and sulphur: Infrared spectroscopic studies of red giants
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 135e5ae2-b678-4b82-a7a2-a7905a17a4ef (old id 5385723)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:33:00
• date last changed: 2018-11-21 21:05:34