Advances in Stellar Astrophysics from Laboratory Spectroscopy

Abstract

Investigation of astrophysical plasmas, such as stellar atmospheres, require both knowledge of atomic structure and data. We present laboratory instruments, techniques and tools for acquisition of the data required to derive important atomic parameters such as, wavelengths, oscillator strengths and line profiles. In this thesis new atomic data for advancement of stellar atmosphere analysis are presented for the elements iridium, osmium, praseodymium and uranium. These measurements were recorded with the Fourier Transform spectrometer (FTS) in Lund. Utilizing the high resolving power of the FTS we have derived magnetic hyperfine structure constants, A-values, for the singly-ionized species of praseodymium. Combining A with f-values, generating a hyperfine line profile, we have investigated the solar photospheric abundance of praseodymium by means of a synthetic spectrum technique. We conclude the abundance value to be significantly lower than the current canonical value. We investigate the possibility of using Os I and Ir I as the stable reference elements for age determination of the halo-star CS 31082-001 by use of cosmochrometers. Presentation and usage of new oscillator strengths solve the apparent over abundance of osmium compared with iridium and conclude that they originate from the same r-process nucleosynthesis. Observations in the ultraviolet region by Hubble Space Telescope (HST) and Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE) have shown increased need for production of atomic data. We present atmospheric analyses for the stars Chi Lupi and 17 Comae A regarding elemental abundances in the UV region. The onset of the heavy 5d element peak for Chi Lupi is defined with the presented new f-values for Os II and Ir II.



The nature of the advancement, common for each project, is the inclusion of newer and improved atomic data to meet the demands from astronomical observations. Interpretation of stellar spectra, based upon these inclusions, advance our understanding and put constraints on our models of stellar atmospheres.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Om man betraktar ljuset fran en varm gas ser man att det har en viss färg som är beroende gasens kemiska sammansättning. Består gasen av endast ett ämne kan man genom att detaljstudera ljuset erhålla information som är specifik för just detta grundämnet. For varje grundämne finns ett mönster av spektrallinjer som bygger upp ämnets spektrum. Om spektrumen for många ämnen är kända kan man undersöka mer komplexa ljuskällor och erhålla information om hur dessa är sammansatta.



Genom att låta ljuset från en ljuskälla passera genom ett instrument som delar upp ljuset beroende på dess energi, tex ett prisma eller ett gitter, kan spektret från ett specifikt ämne observeras. Varje spektrallinje kan beskrivas av dess våglängd, intesitiet och form. I laboratoriet har vi ljuskällor som kan användas för att skapa ljus från ämnen som vi ar intresserade av att undersöka i avlägsna ljuskällor tex stjärnor. Undersöker man ljuset från en stjärna observeras ett kontinuerligt spektrum som är överlagrat med spektrallinjer från stjärnans yttre lager. För många stjärnor som tex solen ses dessa som absorptionslinjer som uppkommer då strålningen från de inre delarna av stjärnan absorberas i stjärnans atmosfär. Genom att jämföra uppmätta spektra från laboratoriet med våra observatoner av en stjärna, kan vi bestämma denna stjärnans kemiska sammansättning.



Kombinationen av mätningar i laboratoriet och undersökningar av stjärnatmosfärer ligger till grund för mina studier av grundämnenas förekomst samt de specifika astrofysikaliska problem som är förknippade därmed. För att bestämma förekomster behöver vi använda oss av oscillatorstyrkor eller f-värden. Dessa kan vi erhålla genom att kombinera relativa linjeintensiteter från vår Fourier transfrom spektrometer och livstider mätta med laserteknik. Moderna rymdbaserade teleskop, t.ex. Hubble Space Telescope eller Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer, gör att vi kan observera astronomiska objekt för våglängder som absorberas i jordens atmosfär och därför inte kan observeras med markbaserade teleskop. För att analysera linjer i detta område har ett nytt laboratorieinstrument byggts i Lund. Studier av spektra från den heta stjärnan 17 Comae A visar att det finns ett behov av mer data i UV området.



Studerar man spektrallinjer i detalj upptäcker man att det finns ytterligare struktur i linjerna. Denna struktur är beroende på magnetisk växelverkan mellan elektronerna och atomkärnan och är viktig att mäta för att kunna erhålla grundämnesförekomst från högupplösta astronomiska spektra. I avhandlingen studeras linjeprofilerna med avseende på denna underliggande struktur. Vi tillämpar mätningarna på vår kemiska referens, solen, samt en stjärna med annorlunda kemisk sammansättning, Chi Lupi.



Ett intressant astrofysikaliskt problem som kan utforskas med hjälp av förekomstanalys är radioaktiv datering av stjärnor. Stjärnan CS-32081-001 är en metallfattig halo stjärna som tros vara lika gammal som vår egen Vintergata. Därmed kan vi med nya mätningar sätta gränser på galaxens ålder. Metoden är snarlik kol-14 metoden men eftersom stjärnor är väldigt gamla använder man mer långlivade isotoper av uran eller torium istället för kol. Eftersom båda ämnena är radioaktiva utan någon stabil isotop undersökte vi genom nya mätningar om det var möjligt att använda osmium eller iridium som referensämne. Det visade sig att så inte vara fallet, men mätningarna kan nu användas för vidare analys av förekomsten av osmium eller iridium i Universum.

• author: Ivarsson, Stefan
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Smith, Peter
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Astronomy, Astrophysics and Cosmology
• keywords: Astronomy, iridium, osmium, uranium, oscillator strengths, Spectroscopy, term analysis, line profiles, line structure, astrophysics, Sun, Chi Lupi, 17 Comae A, chemically peculiar, praseodymium, stars, space research, cosmic chemistry, Astronomi, rymdvetenskap, kosmisk kemi, Fysicumarkivet A:2004:Ivarsson
• pages: 102 pages
• defense location: Lundmark Lecture Hall
• defense date: 2004-05-22 10:15:00
• external identifiers: other:LUNFD6/(NFFA-1035)/1-102/(2004)
• ISBN: 91-628-6086-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: aee3ee50-1091-4196-bdbe-24f4407a8d06 (old id 466950)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:08:52
• date last changed: 2018-11-21 20:57:02