Towards a high resolution view of infrared line formation

Abstract

Observing in the infrared has many benefits, such as seeing through the interstellar dust in the galaxy, easier use of adaptive optics, and better flux ratios for direct observations of exoplanets. Before the infrared spectral range can be utilised for highly accurate stellar spectroscopy there is a need for a better understanding of both stellar modelling and the atomic physics that go into forming spectral lines. In this thesis I aim to evaluate to what extent abundances derived from infrared spectra agree with optical values, and which aspects of the line formation cause eventual discrepancies. The aspects investigated in this study are: macroturbulence determination; astrophysical linestrengths; NLTE corrections; and hyperfine structure splitting of atomic energy levels.

For this purpose I have analysed H band (1.49 to 1.80 $\mu m$) spectra of 34 K giants, taken with the spectrometer IGRINS. The elemental abundances derived from these infrared spectra are benchmarked against results from high resolution optical spectra of the same stars. This study uses stellar parameters derived from the same optical spectra, as techniques for determining them from infrared spectra are still being developed.

My results for the elemental abundances of C, Na, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu and Ce show good agreement with the optical values. Significant differences are seen in the abundances of Al, Si, Mn and Nd. I have also measured the abundances of P, S, K and Zn, elements which lack optical benchmark values. No measurements have been possible for Ge and Rb.

Different factors affecting the analysis have been studied in more detail. I show that the method used for determining macroturbulence is an important factor in abundance determination, especially for stars with supersolar metallicity. The lack of accurate measurements of spectral linestrength is addressed in the thesis by my astrophysical measurements of the quantity, using a method developed in the thesis that accounts for the relative strengths of fine and hyperfine structure lines. For elements with NLTE corrections from Amarsi et al. (2020) I show how these corrections improve the agreement between optical and infrared results. For elements with data on the hyperfine structure splitting of the energy levels, I have assessed the impact of including the additional transitions, showing the importance of doing so.

Popular Abstract (Swedish)

Astronomernas främsta verktyg har alltid varit ljus. I många tusen år har vi observerat ljuset från stjärnorna med blotta ögat och noterat deras positioner på himlavalvet. Ett av de största genombrotten i astronomi var upptäckten att när ljuset bryts ner i ett spektrum med ett prisma eller ett gitter, och alla färger syns separat, syns det mörka linjer i spektrumet. Varje grundämne har sitt egna karakteristiska mönster av så kallade spektrallinjer, lite som ett fingeravtryck. Det finns många användningsområden för de här linjerna: genom att mäta vilken våglängd på ljuset de blockerar kan man mäta hur snabbt stjärnan rör sig i förhållande till oss; och genom att studera formen och storleken på linjerna kan vi mäta vad stjärnorna innehåller.

Mitt arbete handlar om att studera spektrallinjer i infrarött ljus istället för synligt ljus som brukar användas. Det primära målet är att utvärdera vilka grundämnens halter som kan mätas från infraröda spektra med samma noggrannhet som vi kan mäta dem från spektra i synligt ljus. Historiskt har det varit svårt att bygga precisa detektorer för infrarött ljus, på grund av det har många aspekter av vad som behövs för att göra en noggrann analys inte testats ordentligt. Det saknas både labbmätningar av olika atomers spektrallinjer likväl tekniker för hur man ska tolka observationer på bästa sätt. Trots bristen på data är det ändå angeläget att använda infrarött ljus då det har många fördelar, bland annat kan man se igenom stoftmolnen som skymmer mycket av vår galax, Vintergatan, (från synligt ljus) och utforska dess centrum. Det är även optimalt för att observera atmosfärer hos exoplaneter.

I framtiden hoppas vi att stora kartläggningar kan använda infrarött ljus för att observera miljontals stjärnor från alla olika hörn i Vintergatan. Mycket kan förändras hos en stjärna från att den föds tills den dör, den kan migrera från mitten av galaxen till utkanterna; nära möten med tyngre stjärnor kan slunga ut den från galaxen. Men en sak är i stort sett oförändrad: halterna av olika grundämnen i stjärnans atmosfär. När man analyserar en stjärnas spektrallinjer öppnar man ett fönster tillbaka i tiden till när stjärnan bildades. Genom att öppna så många sådana fönster som möjligt kan vi se hur alla de olika delarna av Vintergatan har utvecklats genom tiden, ända sedan galaxen bildades. Förhållandet mellan olika grundämnen kan säga mycket om vilken typ av stjärnor som fanns då och om hur grundämnena bildades.

I min uppsats presenterar jag mätningar av: kol, natrium, magnesium, aluminium, kisel, fosfor, svavel, kalium, kalcium, titan, vanadium, krom, mangan, kobolt, nickel, koppar, zink, cerium och neodymium. Jag utvärderar även en teknik för att mäta styrkan på spektrallinjer; hur den så kallade hyperfinstrukturen hos atomernas energinivåer påverkar spektrumet; hur förenklingar i teoretiska stjärnmodeller kan korrigeras; och hur man kan mäta turbulens hos gasen i stjärnatmosfärer. Resultaten visar på att det finns goda möjligheter att använda infrarött ljus för att mäta grundämneshalter. De tekniker vi har testat har visats sig vara viktiga för att få noggranna resultat, men de behöver fortfarande förstärkas med fler noggranna labbmätningar.

• author: Schmidt Montelius, Martin
• supervisor: Nils Ryde; Henrik Jönsson
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Spectroscopy, Near infrared, K giants, Galactic archeaology, Galactic chemical evolution, Abundances, Milky Way
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2021-EXA172
• language: English
• id: 9048894
• date added to LUP: 2021-06-07 10:33:21
• date last changed: 2021-06-07 10:33:21