Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Evaluating the Origin of Water Vapour in Giant Stars

Farzone, Mohsen LU (2013) In Lund Observatory Examensarbeten ASTM31 20131
Department of Astronomy and Theoretical Physics
Lund Observatory
Abstract
The advent of infrared astronomy, unlike optical astronomy that was developed over centuries, was delayed until the space age due to our own atmosphere acting as an efficient shield towards this radiation. With a lot of molecules (including water) emitting in the infrared region, it was first in the late 1990s that water no longer was deemed special and was observed in many cooler (K-M) giant stars. Although it was theoretically predicted that stars of these temperatures would form water, it failed to account for water in the warmer K-type stars, thus challenging our knowledge of the atmosphere of these red giants. In time, two scenarios were developed in order to explain the discrepancies between the theoretical and observed spectra. The... (More)
The advent of infrared astronomy, unlike optical astronomy that was developed over centuries, was delayed until the space age due to our own atmosphere acting as an efficient shield towards this radiation. With a lot of molecules (including water) emitting in the infrared region, it was first in the late 1990s that water no longer was deemed special and was observed in many cooler (K-M) giant stars. Although it was theoretically predicted that stars of these temperatures would form water, it failed to account for water in the warmer K-type stars, thus challenging our knowledge of the atmosphere of these red giants. In time, two scenarios were developed in order to explain the discrepancies between the theoretical and observed spectra. The first being the addition of a warm molecular envelope known as MOLsphere, and the second being a modified temperature profile of the star. The aim of this project was to shed light and put constraints on these scenarios. With the use of synthetic spectra based upon model atmospheres from the MARCS code and high resolution spectra from the instrument TEXES, we had a lot of well resolved spectral lines across many spectral types, presented for the first time in a collected overview fashion (unlike previous work of scattered single observations). Our results show no emission features, but stronger absorption lines for all spectral types than models suggest. Furthermore, we derive the need of a temperature decrease of approx 500 K in the outer regions of the photosphere and couple it to NLTE-cooling, a physical process that can drive the temperature drop in the outskirts of the stellar atmosphere. (Less)
Abstract (Swedish)
Att undersöka stjärnor i infrarött är en relativt ny företeelse till skillnad från optisk astronomi (dvs. synligt ljus). Det var först på 60-talet med teleskopet Stratoscope II som man lyckades få spektra från stjärnor i infrarött (våglängder på runt 3 m), och upptäckte förekomsten av vatten i kalla röda jättar.

Den bakomliggade problematiken till varför modern infraröd astronomi är så ungt är vår egen atmosfär. Jordens atmosfär är ogenomträngligt för en stor del infrarött ljus framförallt pga. molekyler såsom vatten. Därför var Stratoscope II (och Stratoscope I) kopplade till väderballonger som förde dem upp till stratosfären där man undviker i stort sett allt atmosfäriskt vatten.

I modernare tider bidrog ISO (Infrared Space... (More)
Att undersöka stjärnor i infrarött är en relativt ny företeelse till skillnad från optisk astronomi (dvs. synligt ljus). Det var först på 60-talet med teleskopet Stratoscope II som man lyckades få spektra från stjärnor i infrarött (våglängder på runt 3 m), och upptäckte förekomsten av vatten i kalla röda jättar.

Den bakomliggade problematiken till varför modern infraröd astronomi är så ungt är vår egen atmosfär. Jordens atmosfär är ogenomträngligt för en stor del infrarött ljus framförallt pga. molekyler såsom vatten. Därför var Stratoscope II (och Stratoscope I) kopplade till väderballonger som förde dem upp till stratosfären där man undviker i stort sett allt atmosfäriskt vatten.

I modernare tider bidrog ISO (Infrared Space Observatory), det första dedikerade infraröda rymdteleskopet, med mer lågupplösta spektra som påvisade vattenlinjer hos röda jättar. Det visade sig dock svårt att modellera dessa linjer med vår nuvarande kunskap av dessa stjärnor framförallt för de varmare jättarna (K-typ). Det var först på 2000-talet som de första högupplösta spektra i infrarött av kalla jättar blev tagna, och detta från marknivå med hjälp utav ett litet gap vid 12 mym i vår atmosfär som tillät infrarött ljus att passera.

Med tiden utvecklades två teorier för att förklara skillnaderna mellan teoretiska och observationella spektra. Den första var en ad-hoc lösning i form av en molekylär sfär av varmt vatten några stjärnradier från stjärnan i fråga, även kallad MOLsphere. Den andra är en modifierad temperaturstruktur (sänkning) i den yttre delen av stjärnan som på så vis skulle ge större absorptionslinjer.

Syftet med det här projektet är att med hjälp av nya högupplösta spektra från en rad jättar, undersöka förekomsten av vatten och då kunna lägga restriktioner på de två teorierna. Våra resultat pekar på vatten i starkare absorption (än våra modeller förutspår) och inte emission från någon av de 10 stjärnorna vi undersökte i 12 m. Detta lägger ett starkt band på MOLsphere teorin då den förutsäger emissionslinjer från våglängder av 6 m och högre. I fallet med en modifierad temperaturstruktur, beräknar vi en ungefärlig sänkning av temperaturen med 500 K för alla stjärnor, oberoende av deras effektiv-temperatur, kring regionen där vattnet bildas. Detta kopplar vi med "NLTE-cooling", en process som fysikaliskt kan förklara varför det är sannolikt med en sådan temperatursänkning i den yttre atmosfären av jättar. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Farzone, Mohsen LU
supervisor
organization
course
ASTM31 20131
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2013-EXA76
language
English
id
3910964
date added to LUP
2013-06-27 16:33:34
date last changed
2013-06-27 16:33:34
@misc{3910964,
  abstract     = {The advent of infrared astronomy, unlike optical astronomy that was developed over centuries, was delayed until the space age due to our own atmosphere acting as an efficient shield towards this radiation. With a lot of molecules (including water) emitting in the infrared region, it was first in the late 1990s that water no longer was deemed special and was observed in many cooler (K-M) giant stars. Although it was theoretically predicted that stars of these temperatures would form water, it failed to account for water in the warmer K-type stars, thus challenging our knowledge of the atmosphere of these red giants. In time, two scenarios were developed in order to explain the discrepancies between the theoretical and observed spectra. The first being the addition of a warm molecular envelope known as MOLsphere, and the second being a modified temperature profile of the star. The aim of this project was to shed light and put constraints on these scenarios. With the use of synthetic spectra based upon model atmospheres from the MARCS code and high resolution spectra from the instrument TEXES, we had a lot of well resolved spectral lines across many spectral types, presented for the first time in a collected overview fashion (unlike previous work of scattered single observations). Our results show no emission features, but stronger absorption lines for all spectral types than models suggest. Furthermore, we derive the need of a temperature decrease of approx 500 K in the outer regions of the photosphere and couple it to NLTE-cooling, a physical process that can drive the temperature drop in the outskirts of the stellar atmosphere.},
  author       = {Farzone, Mohsen},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Evaluating the Origin of Water Vapour in Giant Stars},
  year         = {2013},
}