Mapping the present-day chemical abundance structure of the Solar neighbourhood: O & Si

Abstract

Context. Large scale chemical abundance gradients in the Galactic disks, small-scale abundance structures, and the mean chemical abundance values in the Solar vicinity, are important constraints to Galactic chemo-dynamical formation and evolution models. The formation and evolution of stars, and interstellar gas and dust depends on the distribution and evolution of
matter in the Galaxy. Therefore, metallicity structures within the Milky Way can be mapped from the abundance analysis of its gas and stars.

Data. A sample of 379 mostly spectral type B main sequence stars within 1.5 kpc radius from the Sun, was observed with the MIKE high-resolution spectrograph on the Magellan 6.5-m telescope on Las Campanas in Chile in 2007. Projected rotational velocities and photometric effective temperatures were determined for these stars by Bragança et al. (2012). B-stars are good indicators for present-day cosmic abundances due to their short lifetimes. They preserve the interstellar medium abundances, which they were born from, in the photosphere, and they do not migrate far from their birth environment.

Aims. The purpose of this Master’s project was to start mapping the present-day silicon and oxygen abundance structure of the Solar neighbourhood, by determining the stellar atmospheric parameters, and Si and O abundances, for the low-rotating (< 22 km/s ) subsample. The thesis at hand is part of an international study aimed to determine the elemental
abundances of B-type main sequence stars near the Solar vicinity and in the outer Galactic disk (Bragança et al. 2012, 2015; Garmany et al. 2015, Bragança et al. in prep.).

Methods. Line-profile fitting of Si, O and Balmer lines, with full NLTE synthetic spectra, and an iterative analysis methodology, was used to constrain stellar atmospheric parameters and elemental abundances at high accuracy and precision.

Results & Conclusions. With this Master’s thesis, an extensive mapping the Solar neighbourhood has begun: stellar parameters, and Si and O abundances were established for 17 stars. The mean elemental abundance of the Solar neighbourhood of a 1.25 kpc radius, was found to be 7.42±0.13 dex for silicon and 8.73±0.06 dex for oxygen. The results are consistent with
the cosmic abundance standard from Nieva & Przybilla (2012) within error-bars, and provide reliable present-day anchor points for Galactic chemical evolution models. However, the stars in our sample have on average smaller abundance values and the Solar neighbourhood seems
to be more heterogeneous, than determined by Nieva & Przybilla (2012) study. Small scale abundance structures were not discovered, due to yet small sample size. In the future, other low-rotating stars in the observed stellar sample will be analysed, up to a v sin i = 80 km/s limit. This would amount to about 100 stars. Combined with Gaia DR2 positions, and chemical abundances for the fast rotating B-type stars in the Solar vicinity (Cazorla et al. 2017), would provide an unprecedented view of the present-day Solar neighbourhood.

Popular Abstract (Swedish)

Vår galax, Vintergatan, innehåller bortåt 200 miljarder stjärnor av varierande åldrar och storlekar. Under en mörk och klar natt kan man se ungefär 2000 med blotta ögat. Detta är en liten del av det stora hela, men tillräckligt för att stimulera människors nyfikenhet. Vad är de gjorda av, och varför är de där de är? Enkla frågor, som har väldigt komplexa svar.
Genom att kartlägga strukturen och den kemiska sammansättningen hos den unga nuvarande stjärnpopulationen i solens närhet avser detta arbete att besvara den första frågan och ge ytterligare ledtrådar till den andra. Vintergatans ursprung och utveckling finns bevarat i form av den kemiska sammansättningen och kinematiska egenskaperna hos dess stjärnor och
gas, så genom att bestämma stjärnors kemiska sammansättning kan man få information om den miljö som de bildades från. Detta arbete har använt sig av massiva (2–16 Solmassa) huvudseriestjärnor för att bestämma den nutida ymnigheten av syre och kisel i solens närhet. Massiva stjärnor är utmärkta indikatorer för Vintergatans nutida kemiska sammansättning, av flera anledningar. För det första så har massiva stjärnor korta livstider, några miljoner till några tiotals miljoner år, att jämföras med Vintergatans ålder som är runt 13 miljarder år. För det andra så befinner de sig fortfarande på den plats de bildades, detta på grund av att de inte hunnit migrera nämnvärt på de få miljoner år de levt. För det tredje så är de
väldigt luminösa, och således lätta att observera, vilket beror på att de har så höga temperaturer (10000–30000 K). Ymnigheten av olika grundämnen i atmosfärerna hos dessa stjärnor representerar den kemiska sammansättning som det interstellära mediet hade när de bildades.

Den nutida sammansättningen av olika grundämnen i solens närhet utgör viktiga randvillkor för galaktiska kemisk-dynamiska utvecklingsmodeller eftersom de man vill att de skall resultera i realistiska Vintergatsmodeller. Riktmärket för Vintergatan är solens närhet som
är det område som kan studeras med största noggrannhet och precision, eftersom stjärnorna är näraliggande och enkla att observera. Mer än 370 näraliggande (inom en radie av 1.5 kpc) massiva stjärnor observerades för detta projekt år 2007. Grova uppskattningar för stjärnornas rotationshastigheter och effektiva temperaturer gjordes av Bragança et al. (2012). Denna Masteruppsats har som mål att bestämma stjärnparametrar (effektiv temperature, ytgravitation, projicerad rotationsgahstighet, mikro- och makroturbulenshastigheter) och grundämneshalter
på ett konsekvent sätt för de stjärnor som har låga rotationshastigheter. De observerade spektrumen jämfördes med syntetiskt spektrum, som genererats med hjälp av modellatmosfärer och atommodeller, för att analysera formerna på spektrallinjer. En linje-för-linje-baserad anpassningsmetod för kisel, syre, och vätelinjer användes, och statistiska metoder för att
bestämma stjärnparametrar och grundämneshalter.

Denna metod är väldigt tidskrävande - att analysera en stjärna tar några dagar upp till en vecka - men berikande. I detta Masterprojekt har 17 stjärnor i solens närhet analyserats för att kartlägga kisel- och syrehalter i solens närhet. Vi fann att solens närhet verkar vara aningen
mindre homogen än vad som tidigare rapporterats. Dock så överensstämmer medelhalterna för solens närhet med tidigare liknande studier, samt med dessa grundämnens halter i solen. På grund av den kemiska utvecklingen i Vintergatan så borde yngre stjärnor generellt sett ha högre grundämneshalter än solen som är äldre. Dessa resultat antyder att solen bildades i de inre delarna av Vintergatan, som är mer berikade, och sedan migrerade till dess nuvarande position 8 kpc från Vintergatans centrum. Några småskaliga ymnighetsvariantioner kunde inte detekteras, antagligen beroende på det ännu begränsade antal stjärnor som analyserats.Framtida planer innefattar att analysera alla stjärnor i samplet, upp mot 100 stjärnor. Med denna Mastersuppsats har det detaljerade kartläggandet av solens närhet börjat!

• author: Verro, Kristiina
• supervisor: Thomas Bensby
• organization: Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization; Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: astrophysics, stellar spectroscopy, abundance analysis, solar neighbourhood, massive stars, Galaxy
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2017-EXA112
• language: English
• id: 8915533
• date added to LUP: 2017-06-16 18:13:08
• date last changed: 2017-06-16 18:13:08