The Near-Infrared as a Spectral Hunting Ground

Abstract

A major avenue in the study of the Galaxy is the investigation of stellar populations and Galactic chemical evolution by stellar spectroscopy. Due to the dust obscuration in the line-of-sight, stars in the plane and toward the centre of the Galaxy can only be observed in the near-IR wavelength region. Important questions can thus be addressed by observing stars in the near-IR, a field that is in rapid development.

Stellar spectroscopy is founded on the study of atomic and molecular transitions. In the near-IR wavelength region, atomic line list information is almost solely based on theoretical calculations when it comes to understanding the strength of the lines. The theoretical calculations are demonstratively not of good enough quality for use in stellar spectroscopy. In response to this, this study seeks to develop a line list in the K-band ca. 2.0 mm to 2.4 mm) with empirical values obtained by analysing synthetically generated spectra based on stellar modelling against the Sun and Arcturus. Ca. 700 lines of interest are identified in the Sun, and of these about 570 lines have been assigned empirically determined values and tested against the spectrum of Arcturus. To examine the quality of the empirical values a set of stars are observed in the K-band using the NIRSPEC spectrograph on the Keck II 10m telescope. The observed stars are analysed using the developed line list and the results agree well with results from previous studies of the same stars conducted in another wavelength region.

In conclusion this study thus presents the first published astrophysical K-band line list for use in stellar spectroscopy of stars similar in type to the Sun and Arcturus.

Popular Abstract (Swedish)

När vi tittar upp mot natthimlen för att utforska stjärnorna i rymden, så är stjärnspektroskopi ett av de främsta medlen. Med hjälp av den metoden kan vi komma fram till vilka kemiska element en stjärna består av, och eftersom en stjärnas sammansättning i stort sett inte förändras över tiden, därmed få en bild av vilka kemiska element stjärnan bestod av när den föddes. Naturvetenskapliga teorier har formulerats om hur de olika elementen skapats i mer eller mindre spekatulära händelser, som till exempel vid supernovor. När vi undersöker stora mängder stjärnor och bestämmer deras ålder och kemiska sammansättning kan vi därför få stor kunskap om Vintergatans utveckling - och detta är en viktig del av förståelsen för hur vi ha kommit till.

I det här projektet arbetar jag med att utveckla och förbättra våra metoder inom stjärnspektroskopi. Normalt utförs stjärnspektroskopi genom analys av synligt ljus, men på senare tid har det blivit tekniskt möjligt att analysera stjärnor även genom att undersöka deras infraröda ljus. Fördelen med att observera i infrarött ljus är att det blockeras i mycket mindre omfattning av det damm som finns i galaxen och därmed kan vi se djupare in i galaxen. Vi kan bland annat observera helt in i mitten av galaxen vilket inte är möjligt vid observation i synligt ljus.

Tyvärr är vår kunskap om olika atomer och molekyler och hur de uppför sig i infrarött ljus mycket begränsad. Det bästa sättet att kartlägga atomer och molekyler är naturligtvis att genomföra laboratoriemätningar, men det är ett stort arbete som tar mycket lång tid. Under tiden finns en mer praktisk lösning som kan användas fram till dess att laboratoriemätningar har genomförts.

Den praktiska lösningen innebär att man tar en välkänd stjärna, såsom solen, och använder fysiska modeller av stjärnan samt kunskap om relevanta atomer och molekyler för att simulera det ljus stjärnan utsänder. Resultatet jämförs därefter med det ljus som stjärnan (solen) faktiskt sänder ut för att se om de överensstämmer eller om det finns diskrepanser. För att eliminera eventuella oöverensstämmelser kan man så "justera" den kunskap vi har om olika atomer och molekyler tills det simulerade ljuset stämmer överens med det uppmätta. Denna "justerade" kunskap blir därmed den bästa kunskap vi har på området till dess att laboratoriemätningar kan ge oss den korrekta lösningen. Detta beskriver essensen i det arbete jag har utfört i detta projekt.

För att undersöka om resultatet av mitt arbete också kan användas för att simulera ljus från andra stjärnor än solen har jag observerat infrarött ljus från andra välkända stjärnor och jämfört resultaten för att på så sätt få en uppfattning av kvaliteten av mitt arbete.

För framtiden hoppas jag att mitt arbete kan få stor användning i analys av infrarött ljus för många stjärnor i vår galax.

• author: Thorsbro, Brian
• supervisor: Nils Ryde
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: stellar spectroscopy, line list, K-band
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2016-EXA101
• language: English
• id: 8890122
• date added to LUP: 2016-09-07 10:31:56
• date last changed: 2016-09-07 10:31:56