Advanced

Determining the effective temperature of cool stars from near-infrared spectra

Rhodin, Henrik LU (2015) In Lund Observtory Examensarbeten ASTM31 20151
Lund Observatory
Department of Astronomy and Theoretical Physics
Abstract
Context. Effective temperature is one of the fundamental stellar parameters. A traditional spectroscopic way to determine it is from optical spectra using excitation balance of Fe-lines. With technological advances and the advent of the next generation telescopes there will be an emphasis on the relatively unexplored near-IR (NIR) wavelength region (1-5 μm). A method to determine the effective temperature based on NIR spectra is needed.
Aims. In a proactive attempt, this thesis explores the NIR for the potential of such a method. Reference iron-linelists are created and optimised for the determination of stellar parameters of cool stars (mainly giants). The K-giant benchmark star, Arcturus (alpha-Boo), is used as a testbed for the... (More)
Context. Effective temperature is one of the fundamental stellar parameters. A traditional spectroscopic way to determine it is from optical spectra using excitation balance of Fe-lines. With technological advances and the advent of the next generation telescopes there will be an emphasis on the relatively unexplored near-IR (NIR) wavelength region (1-5 μm). A method to determine the effective temperature based on NIR spectra is needed.
Aims. In a proactive attempt, this thesis explores the NIR for the potential of such a method. Reference iron-linelists are created and optimised for the determination of stellar parameters of cool stars (mainly giants). The K-giant benchmark star, Arcturus (alpha-Boo), is used as a testbed for the analysis.
Methods. An IDL script is written to select Fe-lines for stellar parameter diagnostics, with constraints based on blend-percentage and line-strength. Empirical line-strengths (astrophysical gf-values) of evaluated Fe-lines are solved against the solar spectrum using 1D-LTE MARCS model atmospheres and VALD to define atomic data. These are used as input to generate synthetic spectra of Arcturus which are confronted with high-resolution observations. The final Fe-linelists are used to retrieve the fundamental stellar parameters of Arcturus using SME for spectrum synthesis.
Results. The derived gf-values follow a one-to-one correspondence with the available laboratory measurements. Theoretically calculated values show a larger spread, indicative of configuration interaction and level-mixing. With an independently determined surface gravity, the effective temperature of Arcturus can be retrieved using approximately 20 lines to a precision of ±50 K. The Fe-linelists constructed for the J- and H-bands each span excitation potentials of the same range as those constructed for the optical spectral region used in other studies.
Conclusions. The results indicate that the NIR has a large potential for the determination of effective temperature and metallicity. The absence of observed Fe II lines suggests that surface gravity must be determined by an independent method, or alternatively using pressure-sensitive wings of strong lines in other atomic species. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
När vi tittar upp mot himlen kan vi urskilja skenet från tusentals strålande stjärnor. En mörk natt kan man också förnimma ett ljussvagt stråk som spänner över himlen; Vintergatan. Stråket består av (för ögat) oupplösta stjärnor, som tillsammans med gas och stoft sammanfogats under gravitationens inverkan för att, över tid, bilda vår hemgalax. Tittar man med ett teleskop kan man se en enorm variation och rikedom av galaxer - allt från spiraler och bargalaxer till spheroider. Hur denna morfologiska fauna uppstått är en fråga som kvarstår, vilket gjort galaxbildning- och utveckling till ett hett ämne inom forskningen. För att bygga upp en enhetlig bild detaljstuderar man galaxers grundläggande beståndsdelar; stjärnorna. Stjärnor med olika... (More)
När vi tittar upp mot himlen kan vi urskilja skenet från tusentals strålande stjärnor. En mörk natt kan man också förnimma ett ljussvagt stråk som spänner över himlen; Vintergatan. Stråket består av (för ögat) oupplösta stjärnor, som tillsammans med gas och stoft sammanfogats under gravitationens inverkan för att, över tid, bilda vår hemgalax. Tittar man med ett teleskop kan man se en enorm variation och rikedom av galaxer - allt från spiraler och bargalaxer till spheroider. Hur denna morfologiska fauna uppstått är en fråga som kvarstår, vilket gjort galaxbildning- och utveckling till ett hett ämne inom forskningen. För att bygga upp en enhetlig bild detaljstuderar man galaxers grundläggande beståndsdelar; stjärnorna. Stjärnor med olika åldrar utgör "ögonblicksbilder” som kan sammanfogas till en förståelse av galaxernas temporala utveckling. Stjärnor med olika sammansättning kan sammanfogas till ämnesgradienter som ger en indikation på galaxers spatiala uppbyggnad.

Ljuset som en stjärna utstrålar beror på de rådande förhållandena i stjärnatmosfären; däribland temperaturen, trycket och den kemiska sammansättningen. Genom att studera en stjärnas slutgiltiga spektrum kan vi därför dra slutsatser om de förhållanden som karakteriserar stjärnan. Ett stjärnspektrum skapas när ljus växelverkar med materien, och består av absorptions - och emissionslinjer vars positioner (våglängder) motsvarar atomära övergångar från exciterade tillstånd. Ett stjärnspektrum blir stjärnans ”streckkod”, och genom att läsa av streckkoden kan man bilda sig en uppfattning om stjärnans struktur och sammansättning. För att läsa av streckkoden brukar man använda sig av synligt ljus. Dessvärre har synligt ljus en tendens att interagera med gas och stoft längs vägen till observatören vilket kan filtrera ut delar av ljuset. Detta resulterar i att (i) ljusstyrkan från stjärnan minskar vilket försvårar avläsningen av spektrumet (streckkoden), och (ii) det slutgiltiga spektrumet inte längre är stjärnans eget utan en sammansättning av allt som ljuset interagerat med på vägen.

I denna avhandling har jag undersökt möjligheten att bestämma temperaturen med hjälp av infrarött ljus, vilket inte är lika känsligt. Jag har studerat vilken bit och hur stor bit av stjärnans streckkod som behövs, och har på så sätt lyckats konstruera en stjärntermometer. Detta har gjorts med hjälp av noga utvalda järnövergångar som visat sig vara särskilt temperaturkänsliga. Av resultaten framgår att man inte behöver stjärnans hela streckkod utan väljer man en liten bit av streckkoden med hänsyn till de rådande förhållandena kan stjärnans temperatur bestämmas entydigt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Rhodin, Henrik LU
supervisor
organization
course
ASTM31 20151
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
publication/series
Lund Observtory Examensarbeten
report number
2015-EXA92
language
English
id
7452647
date added to LUP
2015-06-26 15:10:21
date last changed
2015-06-26 15:10:21
@misc{7452647,
  abstract     = {Context. Effective temperature is one of the fundamental stellar parameters. A traditional spectroscopic way to determine it is from optical spectra using excitation balance of Fe-lines. With technological advances and the advent of the next generation telescopes there will be an emphasis on the relatively unexplored near-IR (NIR) wavelength region (1-5 μm). A method to determine the effective temperature based on NIR spectra is needed.
Aims. In a proactive attempt, this thesis explores the NIR for the potential of such a method. Reference iron-linelists are created and optimised for the determination of stellar parameters of cool stars (mainly giants). The K-giant benchmark star, Arcturus (alpha-Boo), is used as a testbed for the analysis.
Methods. An IDL script is written to select Fe-lines for stellar parameter diagnostics, with constraints based on blend-percentage and line-strength. Empirical line-strengths (astrophysical gf-values) of evaluated Fe-lines are solved against the solar spectrum using 1D-LTE MARCS model atmospheres and VALD to define atomic data. These are used as input to generate synthetic spectra of Arcturus which are confronted with high-resolution observations. The final Fe-linelists are used to retrieve the fundamental stellar parameters of Arcturus using SME for spectrum synthesis.
Results. The derived gf-values follow a one-to-one correspondence with the available laboratory measurements. Theoretically calculated values show a larger spread, indicative of configuration interaction and level-mixing. With an independently determined surface gravity, the effective temperature of Arcturus can be retrieved using approximately 20 lines to a precision of ±50 K. The Fe-linelists constructed for the J- and H-bands each span excitation potentials of the same range as those constructed for the optical spectral region used in other studies.
Conclusions. The results indicate that the NIR has a large potential for the determination of effective temperature and metallicity. The absence of observed Fe II lines suggests that surface gravity must be determined by an independent method, or alternatively using pressure-sensitive wings of strong lines in other atomic species.},
  author       = {Rhodin, Henrik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observtory Examensarbeten},
  title        = {Determining the effective temperature of cool stars from near-infrared spectra},
  year         = {2015},
}