What limits the luminosity of red supergiants?
(2023) ASTK03 20231Astrophysics
Department of Physics
- Abstract
- The observed upper limit of the luminosity of red supergiants, often called the Humphreys-Davidson limit, has recently been shown to be independent of metallicity and to not be explainable by single star evolution – findings that both contradict established ideas of the origins of the limit. It is now known that the vast majority of stars with sufficient mass to possibly evolve into red supergiants above the limit interact with companion stars at some point during their lives. In this thesis, the possibility of binary star interactions causing the Humphreys-Davidson limit is investigated. This is done numerically with the use of synthesized populations at M31, LMC, and SMC metallicities, after confirming that the simulations work as... (More)
- The observed upper limit of the luminosity of red supergiants, often called the Humphreys-Davidson limit, has recently been shown to be independent of metallicity and to not be explainable by single star evolution – findings that both contradict established ideas of the origins of the limit. It is now known that the vast majority of stars with sufficient mass to possibly evolve into red supergiants above the limit interact with companion stars at some point during their lives. In this thesis, the possibility of binary star interactions causing the Humphreys-Davidson limit is investigated. This is done numerically with the use of synthesized populations at M31, LMC, and SMC metallicities, after confirming that the simulations work as intended by producing a number of single star results. It is found that while binary star interactions can not wholly reproduce the limit, such interactions are sufficient to reproduce the limit for any red supergiant that remains in a binary and does not actively transfer mass to its companion in the red supergiant phase. For such systems upper luminosity limits of log_10(L/L_⊙) = 5.43+0.06/-0.09 for M31, log_10(L/L_⊙) = 5.48+0.07/-0.09 for the LMC, and log_10(L/L_⊙) = 5.53+0.07/-0.11 for the SMC are found, which are consistent with recent estimates of the Humphreys-Davidson limit. However, stars that are the result of a binary merging are found to be able to surpass the limit. This may be due to the physics of mergers not being modelled appropriately. If such stars genuinely do exist, interactions with a tertiary star may be what stops them from surpassing the limit. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Där uppe finns de. Stjärnorna som om natten pryder himlavalvet är fängslande i deras mängd och mångfald. Om du befinner dig långt bort från städernas ljus så kan du se nattens sanna skönhet, och om du tittar riktigt noga kan du börja uppskatta att alla stjärnor inte är likformiga vita prickar. Vissa är ljusstarkare, vissa är ljussvagare. Vissa är rödare än andra och vissa ser blåare ut. För astronomer är det dessa skillnader i ljusstyrka och färg vad som separerar olika typer av stjärnor från varandra.
En särskild typ av stjärna är de röda superjättarna. Röda superjättar har bränt allt väte i sina kärnor till tyngre ämnen och sedan expanderat till jättelika versioner av sig själva. Som namnet antyder har de en rödaktig färg och kan nå... (More) - Där uppe finns de. Stjärnorna som om natten pryder himlavalvet är fängslande i deras mängd och mångfald. Om du befinner dig långt bort från städernas ljus så kan du se nattens sanna skönhet, och om du tittar riktigt noga kan du börja uppskatta att alla stjärnor inte är likformiga vita prickar. Vissa är ljusstarkare, vissa är ljussvagare. Vissa är rödare än andra och vissa ser blåare ut. För astronomer är det dessa skillnader i ljusstyrka och färg vad som separerar olika typer av stjärnor från varandra.
En särskild typ av stjärna är de röda superjättarna. Röda superjättar har bränt allt väte i sina kärnor till tyngre ämnen och sedan expanderat till jättelika versioner av sig själva. Som namnet antyder har de en rödaktig färg och kan nå gigantiska storlekar. Deras ljusstyrka beror på kärnans massa, som teoretiskt sett skulle kunna vara hur tung som helst. Om kärnan kan vara hur tung som helst, då borde röda superjättar kunna bli hur ljusa som helst. Men icke. Astronomer blev mycket förvånade på slutet av 70-talet när det visade sig att det faktiskt finns en gräns på hur ljusa röda superjättar kan bli. Det pågår något hos de röda superjättarna som astronomer ännu inte fullt ut förstår.
Länge trodde man att riktigt tunga stjärnor var för instabila för att kunna behålla sin stora radie och att de istället utvecklades till blåare, mindre stjärnor, och därmed skapade en övre gräns för röda superjättar. Modern forskning har motbevisat denna teori och frågan är återigen öppen. I mitt kandidatarbete använder jag mig av den nyligen upptäckta faktan att de allra flesta, kanske alla, röda superjättar befinner sig i binära stjärnsystem – stjärnsystem med två stjärnor. Jag undersöker om interaktioner med partnerstjärnan kan ligga bakom gränsen i ljusstyrka för de röda superjättarna och med det bidra till att äntligen sätta punkt på denna bestående astronomiska gåta. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9124356
- author
- Svensson, Eric LU
- supervisor
-
- Ross Church LU
- organization
- course
- ASTK03 20231
- year
- 2023
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- Stellar evolution, Red supergiants, Red giants, Luminosity, Binary stars, Binary star systems, Binary star interactions, Binary stellar evolution, Humphreys-Davidson limit, Upper luminosity limit, BSE, Population synthesis, Simulations, M31, LMC, SMC, Metallicity, Mass transfer, Merging
- report number
- 2023-EXA201
- language
- English
- id
- 9124356
- date added to LUP
- 2023-06-16 09:09:21
- date last changed
- 2023-08-30 15:11:32
@misc{9124356,
abstract = {{The observed upper limit of the luminosity of red supergiants, often called the Humphreys-Davidson limit, has recently been shown to be independent of metallicity and to not be explainable by single star evolution – findings that both contradict established ideas of the origins of the limit. It is now known that the vast majority of stars with sufficient mass to possibly evolve into red supergiants above the limit interact with companion stars at some point during their lives. In this thesis, the possibility of binary star interactions causing the Humphreys-Davidson limit is investigated. This is done numerically with the use of synthesized populations at M31, LMC, and SMC metallicities, after confirming that the simulations work as intended by producing a number of single star results. It is found that while binary star interactions can not wholly reproduce the limit, such interactions are sufficient to reproduce the limit for any red supergiant that remains in a binary and does not actively transfer mass to its companion in the red supergiant phase. For such systems upper luminosity limits of log_10(L/L_⊙) = 5.43+0.06/-0.09 for M31, log_10(L/L_⊙) = 5.48+0.07/-0.09 for the LMC, and log_10(L/L_⊙) = 5.53+0.07/-0.11 for the SMC are found, which are consistent with recent estimates of the Humphreys-Davidson limit. However, stars that are the result of a binary merging are found to be able to surpass the limit. This may be due to the physics of mergers not being modelled appropriately. If such stars genuinely do exist, interactions with a tertiary star may be what stops them from surpassing the limit.}},
author = {{Svensson, Eric}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{What limits the luminosity of red supergiants?}},
year = {{2023}},
}