Hubble Space Telescope Spectroscopy of Eta Carinae and Chi Lupi

Abstract

Eta Carinae is a super-massive, super-luminous star. It is surrounded by a bipolar nebula, the "Homunculus", and several blobs of ejected gas which are the source of a complex emission-line spectrum. This thesis presents results from spectroscopic investigations of the star and its surroundings, performed with the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) and the Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) onboard the Hubble Space Telescope (HST). The age of the equatorial disk in the Homunculus has been studied by measurements of radial velocities of emission lines. Fluorescence processes in Fe II, Fe III, and Cr II are discussed, and the discovery of an ejected filament producing Sr II and [Sr II] emission is reported. Also, a list of 2000 emission line identifications is presented and discussed.



The chemically peculiar star Chi Lupi was the target of the "Pathfinder Project", a mapping of the UV spectrum of the star using the GHRS. An investigation of the abundance and isotopic composition of boron in Chi Lupi is presented.



The launch of space telescopes has put greater demands on the quality of atomic data needed for the analyses of the observed spectra. This thesis presents laboratory measurements of wavelengths and transitions isotope shifts in the B~II spectrum.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I alla tider har människan förundrats och fascinerats över det stillsamma, men samtidigt spektakulära skådespel, som himlen erbjuder en stjärnklar natt. I tusentals år har vi ställt oss frågan: var någonstans i detta gnistrande myller av stjärnor och planeter, kometer och meteorer, passar vi in? Genom århundradena har vår roll i detta skådespel blivit alltmer undanskuffad. Från att länge ha varit skapelsens centrum, kring vilket allting annat kretsade, har planeten jorden och människorna som bebor den fått finna sig i att bli förvisade till en anonym liten vrå i ett överväldigande stort världsallt.



Men medan vår roll på universums scen har blivit allt mindre har vår törst efter kunskap och förståelse hållit sig kvar; vi blickar fortfarande upp i natten och undrar. Ett gigantiskt kliv på denna vår kosmiska upptäcktsfärd togs av Galilei, som var den förste som studerade natthimlen med en kikare och beskrev vad han såg. Sedan dess har vårt tekniska kunnande ökat markant, och i takt med denna utveckling har vi också erbjudits nya spännande möjligheter att utforska rymden omkring oss. De senaste årtiondenas rymdfart, med månfärder och interplanetära satelliter, har gjort att hela vårt solsystem i princip ligger inom räckhåll idag. Vårt kosmiska grannskap har plötsligt krympt en smula.



Men till stjärnorna når vi inte. De ligger så ofantligt långt borta att till och med ljuset måste färdas i flera år för att nå mellan dem, och kanske kommer vi aldrig att besöka dem annat än i science-fictionberättelserna. Vill vi utforska stjärnorna är vi helt och fullständigt utelämnade till en sak: ljuset de sänder ut. Eller ofta ljuset de inte sänder ut! En stjärnas inre är ett våldsamt kaos av höga temperaturer och tryck. Där alstras kontinuerlig elektromagnetisk strålning, ljus, som till en god approximation följer Plancks strålningslag. Under sin färd genom de yttre lagren av stjärnan växelverkar ljuset med atomer och joner från en mängd olika grundämnen. Atomerna och jonerna absorberar bort vissa våglängder av ljuset, och det som till sist lämnar stjärnan blir sålunda ett absorptionsspektrum, ett kontinuum av svartkroppsstrålning där vissa våglängder är helt eller delvis bortabsorberade. Vi kallar de bortabsorberade våglängderna för spektrallinjer. Varje grundämne har en egen, unik uppsättning spektrallinjer, som sätter ett atomärt fingeravtryck på ljuset som lämnar stjärnan.



Studiet av stjärnspektra blir därmed i mångt och mycket ett atomfysikaliskt problem. Det fina i kråksången är nu att atomerna som bygger upp stjärnorna är identiska med atomerna här på jorden. Genom att studera atomernas spektra i våra laboratorier kan vi alltså dra slutsatser om olika fysikaliska betingelser i stjärnorna.



Avdelningen för Atomspektroskopi på Fysiska Institutionen vid Lunds Universitet har en mångårig tradition och har länge varit bland de världsledande i kartläggningen av atomernas fingeravtryck. Allt eftersom de teleskop som används för att observera stjärnorna har blivit större och kraftfullare har de observerade spektrerna blivit mer och mer komplicerade. Vår expertis i Lund har därför de senaste åren blivit en eftersökt samarbetspartner för astronomer runt om i världen, och vår forskning inom atomär astrofysik har lockat många studenter till detta spännande gränsland mellan atomfysik och astronomi.



I vårt laboratorium gör vi precisionsmätningar av egenskaperna hos atomernas spektra. Resultaten vi får fram stoppas in i en teoretisk modell av stjärnan vi studerar, och vi kan därmed beräkna ett modellspektrum av stjärnan. Jämförelse mellan teori och verklighet, modellspektrat och det observerade spektrat, avslöjar om modellen av stjärnan är nöjaktig och om vi kan tro på de i modellen ingående parametrarna. På detta sätt kan vi få kunskap om framförallt den kemiska sammansättningen hos stjärnan, men även egenskaper som temperatur, eventuella magnetfält i ytlagren, och stjärnans rotations-hastighet kan bestämmas. En av de märkligare stjärnorna vi har studerat på det här sättet är Chi Lupi i stjärnbilden Vargen. Spektrat av Chi Lupi avslöjar att stjärnan innehåller stora mängder av grundämnen som är sällsynta i normala stjärnor (med normala stjärnor menar man stjärnor som liknar solen). Frågan som återstår att besvaras är nu hur det kommer sig att stjärnor som Chi Lupi skiljer sig så dramatiskt från solen. Varför visar invånarna i universums kosmiska zoo upp så helt olika egenskaper?



En annan stjärna vi arbetar med är den mystiska superstjärnan Eta Carinae i stjärnbilden Kölen. Eta Carinae är ett riktigt monster: dess massa är större än hundra solmassor och den lyser lika starkt som sex miljoner solar, vilket gör den till en av de största och ljusstarkaste stjärnorna i Vintergatan. Den omges av en vacker nebulosa, som bildats av gas som har slungats ut från stjärnan under våldsamma utbrott och nu expanderar ut i rymden med hastigheter på hundratals kilometer per sekund. Eta Carinaes spektrum skiljer sig från normala stjärnspektra genom att de spektrallinjer vi ser dyker upp i emission istället för i absorption. Med Hubble Space Telescope kan vi välja ut och studera små enskilda detaljer i den omkringliggande nebulosan och på det viset undersöka hur spektret, och därmed de fysikaliska betingelserna, ändras i olika delar av objektet. Alldeles intill stjärnan ligger gasbubblor, stora som vårt solsystem. Vår besynnerligaste upptäckt är att vissa bubblor verkar fungera som en laser, vars motsvarighet aldrig tidigare har setts i något kosmiskt objekt!

• author: Zethson, Torgil
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Pagel, Bernard
• organization: Particle and nuclear physics
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: magnetic and optical properties, supraconductors, electrical, Rymdteknik, kosmisk kemi, Condensed matter:electronic structure, rymdvetenskap, Astronomi, cosmic chemistry, space research, Astronomy, boron, isotope shifts, Chi Lupi, fluorescence, element abundances, emission lines, GHRS, strontium, STIS, Eta Carinae, spectroscopy, Hubble Space Telescope, supraledare, magnetiska och optiska), magnetisk resonans, Space technology, spektroskopi, relaxation, magnetic resonance, egenskaper (elektriska), Kondenserade materiens egenskaper:elektronstruktur
• pages: 228 pages
• defense location: Lecture Hall B at the Department of Physics
• defense date: 2001-03-09 10:15:00
• ISBN: 91-7874-112-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: T. Zethson, S. Johansson, K. Davidson, R.M. Humphreys, K. Ishibashi, and D. Ebbets, "Strange velocities in the equatorial ejecta of Eta Carinae", Astronomy & Astrophysics, Vol. 344, p.211, 1998; Article: S. Johansson, T. Zethson, H. Hartman, J.O. Ekberg, K. Ishibashi, K. Davidson, and T.R. Gull, "New forbidden and fluorescent Fe III lines identified in HST spectra of Eta Carinae", Astronomy & Astrophysics, Vol. 361, p.977, 2000; Article: T. Zethson, T.R. Gull, H. Hartman, S. Johansson, K. Davidson, and K. Ishibashi, "Sr II and [Sr II] emission in the ejecta of Eta Carinae", submitted to The Astronomical Journal; Article: T. Zethson, H. Hartman, S. Johansson, T.R. Gull, K. Ishibashi, and K. Davidson, "Cr II fluorescence in Eta Carinae due to Hydrogen Lyman-alpha pumping", to appear in the proceedings (ASP Conf. Series) of the meeting: Eta Carinae and other mysterious stars -- the hidden opportunities of emission line spectroscopy, August 24-26, 2000, Hven, Sweden; Article: U. Litzen, T. Zethson, P. Jönsson, J. Kasten, R. Kling, and F. Launay, "Precision measurements and calculations in the B II spectrum: Wavelengths, isotope shifts, and oscillator strengths", Physical Review A, Vol. 57, p.2477, 1998; Article: T. Zethson, S. Johansson, G.M. Wahlgren, and D. Leckrone, "High-resolution observation of B II 1362 Å in Chi Lupi", The Scientific impact of the Goddard High Resolution Spectrograph, eds. J.C. Brandt, T.B. Ake, and C.C. Petersen, ASP Conf. Ser. Vol. 143, p.339, 1998
• id: 2ea02f84-2a16-4a1f-b764-b6108c174c1e (old id 41313)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:03:29
• date last changed: 2018-11-21 20:56:28