A fémtartalom szerepe a csillagpulzációban

Pappné Sziládi Katalin
A fémtartalom szerepe a csillagpulzációban.
PhD, University of Szeged.
(2019)

[img]
Preview
PDF (disszertáció)
Download (4MB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (35kB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (38kB) | Preview

Abstract in Hungarian

Doktori munkám során célul tűztem ki az egyszerre két módusban pulzáló beat cefeidák fémtartalma és pulzációs tulajdonságai közti összefüggések tanulmányozását. A galaktikus beat cefeidák kellően fényesek ahhoz, hogy nagy távcsővel nagy felbontású spektroszkópiai mérésekből közvetlen fémtartalmakat határozzunk meg. Ennek érdekében 2004-ben külföldi együttműködő partnerünk közreműködésével méréseket végeztünk az Európai Déli Obszervatórium (ESO) chilei La Silla Obszervatóriumának 2,2 méteres távcsövére szerelt FEROS nevű nagy felbontású echelle-spekrográffal. A mérés eredményeként a 23 ismert beat cefeidából 17 olyan csillagról készítettünk spektrumokat, amelyekből 4-et korábban csak fotometriai módszerekkel vizsgáltak. Ezen mérések kiértékeléséből a beat cefeidák fémtartalmának és periódusarányának (korábban elméleti úton felismert) összefüggését igyekeztem pontosítani. Nagy felbontású spektroszkópiai mérésekből meghatároztam 17 két módusban pulzáló galaktikus cefeida csillag fizikai paramétereit: effektív hőmérsékletüket (T eff ), felszíni gravitációs gyorsulásukat (log g), valamint a fémtartalmukat jellemző paramétert, a vas hidrogénhez képesti relatív gyakoriságát a Naphoz viszonyítva ([Fe/H] = log(N Fe /N H ) − log(N Fe /N H ) ⊙ ). A mintából 4 csillagot korábban csak fotometriai úton vizsgáltak, így ezekre a csillagokra elsőként határoztam meg közvetlenül spektroszkópiai fémtartalmat. Évekkel később az irodalomban újonnan megjelent fémességmérésekkel összevetve konzisztens skálán alapuló fémtartalmakat határoztam meg a vizsgált objektumokra, csökkentve ezzel az évtizedekkel korábbi méréseket erősen befolyásoló szisztematikus eltéréseket. Saját méréseim felhasználásával empirikus úton meghatároztam és pontosítottam a kétmódusú cefeidákra vonatkozó periódus–periódusarány–fémtartalom (log P - P 1 /P 0 - [Fe/H]) összefüggést. A reláció alacsonyabb fémességek felé történő extrapolálásával becslést tettem a Kis- és Nagy-Magellán-felhőkben található kétmódusú cefeidák fémtartalmára. Irodalmi forrásokból összegyűjtöttem az OGLE-III és OGLE-IV égboltfelmérő programok fotometriai adatait a Nagy- és Kis-Magellán-felhőkben található kétmódusú cefeidákról. Ezekből kiválogattam azokat, amelyekben egyszerre az alapmódus és az első felharmonikus van gerjesztve. Az így kapott, összesen 98 csillagot tartalmazó mintában Fourier-analízis segítségével meghatároztam a fénygörbék alakját leíró amplitúdó- és fázisarányokat, valamint ugyanezen csillagok [Fe/H] fémtartalmát az előző bekezdésben említett periódus–periódusarány–fémtartalom reláció segítségével. Megállapítottam, hogy a kétmódusú cefeidák fémtartalmára leginkább érzékeny fotometriai paraméterek az adott módus amplitúdója, valamint az R 21 jelű amplitúdóarány (az első felhang és alapfrekvencia amplitúdóinak aránya). A fundamentális módus esetén kimutatható volt még a az első felhang és az alapfrekvencia fáziskülönbségei (φ 21 = φ 2 − 2φ 1 ) közti korreláció is, ez azonban az első felharmonikus esetén (feltehetően a kisebb jel/zaj viszony miatt) már nem volt szignifikáns. Kimutattam, hogy az irodalomban korábban közölt relációk, amelyek a kizárólag fundamentális módusban pulzáló klasszikus cefeidák fémtartalma és Fourier-paraméterei közötti kapcsolatot írják le, nem használhatóak a Magellán-felhők rövid periódusú, kisebb amplitúdójú, alacsonyabb fémtartalmú kétmódusú cefeidáira. Helyettük alternatív formulák használatát javasoltam, amelyek a vizsgált periódus-, amplitúdó- és fémességtartományon megbízhatóbb becsléseket tesznek lehetővé.

Abstract in foreign language

Classical Cepheids are variable stars with essential importance from both astrophysical and cosmological point of view. These are massive giant- or supergiant stars that are located within the Instability Strip on the Hertzsprung-Russell diagram (HRD), and they exhibit stable, periodic light variation. This variability is due to radial pulsation excited and governed by the astrophysical process called kappa-mechanism. The importance of pulsating stars, especially Cepheids, is given by the fact that we can reveal details on the internal structure and evolution of these stars by studying their oscillations. In cosmology they are mainly used as distance indicators, because the existence of the period-luminosity relation discovered 100 years ago make them useful for measuring distances on extragalactic (i.e. several megaparsecs) scale. A small subgroup of Classical Cepheids contain stars that pulsate in two excited modes simultaneously. These are called double-mode, or beat Cepheids. Modeling these stars dates back to the 1990s, and it was recognized quite early that the period ratio (P 1 /P 0 ) depends strongly on other physical parameters like effective temperature, mass, luminosity and metallicity. Nevertheless, checking the theoretical predictions with observations was limited for a while, because, for example, having metallicity information for such stars requires high resolution, high signal-to-noise measurements that are feasible only with modern state-of-the-art instruments. By the beginning of the 21st century only about two dozens of double-mode Cepheids were known within the Milky Way. On the other hand, hundreds of such stars were discovered in the Large- and Small Magellanic Cloud by the MACHO and OGLE sky surveys. Unfortunately, due to instrumental constraints, only the Milky Way (galactic-) Cepheids could be studied by high-resolution spectroscopy to measure their metallicities directly. This is why new methods that attempt to derive physical parameters, like metallicity, solely from photometry gained more attention by now. My PhD dissertation focuses on studies related to these problems. The aim of my work is to reveal new details on the metallicity dependence of the pulsational properties of beat Cepheids. Galactic beat Cepheids are so bright that their metallicities can be measured directly with high-resolution spectroscopy using big telescopes. In 2004, our foreign collaborators obtained such measurements for 17 beat Cepheids using the FEROS spectrograph attached to the 2.2 m telescope of the European Southern Observatory (ESO) at La Silla, Chile. 4 of our program stars have been studied before only with photometry. After reducing and analysing these data, my work focused on quantifying the correlation between the period ratio and metallicity that was revealed by theoretical studies earlier. As an application of my results, I examined the double-mode Cepheids in the Large- and Small Magellanic Cloud attempting to correlate their metallicities with the Fourier parameters of their light curves. After collecting the existing photometric data from literature, First, I derived the Fourier-amplitude ratios and phase differences of the light curves that characterize the shape of the light curves. After that I looked for correlations between these Fourier parameters and the metallicities obtained from period ratios using the relation that I determined for the galactic beat Cepheids. The new scientific results I found are summarized as follows. Using new high-resolution spectroscopic data I derived the following physical parameters for 17 Galactic double-mode Cepheids: effective temperature (T eff ), surface gravity (log g) and metallicity expressed as the relative abundance of iron to hydrogen, [Fe/H] = log(N Fe /N H ) − log(N Fe /N H ) ⊙ . These were the first spectroscopic metallicities for 4 of the program stars that were studied before only photometrically. Years later, using more recent metallicity measurements collected from literature, I derived homogenized metallicities for all the program stars by bringing them onto a consistent metallicity scale reducing the systematic offsets plaguing the early metallicity measurements. Based on the new spectroscopic data mentioned above I quantified and improved the period - period ratio - metallicity (log P - P 1 /P 0 - [Fe/H]) relation that is valid for beat Cepheids pulsating in the fundamental mode and the first overtone simultaneously. By extrapolating the relation toward lower metallicities I estimated the metallicities of double-mode Cepheids in the Large- and Small Magellanic Clouds. In order to study the possibilities for getting metallicity information solely from photometry, I collected photometric data for double-mode Cepheids in the Magellanic Clouds from the online databases of the OGLE-III and OGLE-IV surveys. I made a sample of 98 Cepheids simultaneously pulsating in the fundamental and first overtone modes. Then I characterized the shape of their light curves by computing the Fourier amplitude ratios and phase differences, and I determined their [Fe/H] metallicities using the period - period ratio - metallicity relation mentioned above. I found that the main amplitude and the R 21 amplitude ratio are the most sensitive photometric parameters to metallicity. For the fundamental mode there is also a correlation between metallicity and the phase difference between the main frequency and first harmonics (φ 21 = φ 2 − 2φ 1 ), although it was not significant for the first overtone, probably because of the lower signal-to-noise of those data. I pointed out that the previously published relations describing the connection between the Fourier parameters and the metallicities of Classical Cepheids that pulsate only in the fundamental mode are not valid for the more metal-poor Magellanic Cloud beat Cepheids that have shorter periods and lower amplitudes. Instead, I established new relations that predict more reliable metallicities in this parameter regime.

Item Type: Thesis (PhD)
Creators: Pappné Sziládi Katalin
Hungarian title label: A fémtartalom szerepe a csillagpulzációban
Title of the thesis in foreign language: The role of metallicity in stellar pulsation
Divisions: Doctoral School of Physics
Discipline label: természettudományok > fizikai tudományok
Defence date label: 2019. March 08.
Uncontrolled Keywords: kétmódusú cefeida, beat cefeida, fémtartalom, periódus–periódusarány–fémtartalom reláció
Item ID: 9890
Date Deposited: 2018. Oct. 04. 08:01
Last Modified: 2019. Apr. 30. 11:16
Depository no.: B 6495
Supervisor label:
Supervisor Supervisor scientific name label
Dr. Vinkó József
MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet; SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék
Reviewer label:
Reviewer name label Reviewer scientific name label
Dr. Kovács Géza
Dr. Kolláth Zoltán
professor emeritus, DSc, MTA CSFK, Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet
egyetemi tanár, DSc, ELTE Savaria Egyetemi Központ, Fizikai Tanszék
President label:
President name label President scientific name label
Dr. Gergely Árpád László
egyetemi tanár, DSc, SZTE TTIK Fizika Intézet, Kísérleti Fizikai Tanszék
Member label:
Member name label Member scientific name label
Dr. Nagy László
Dr. Horváth Zoltán
egyetemi docens, PhD, SZTE ÁOK TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet
egyetemi docens, PhD, SZTE TTIK Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/9890
Defence/Citable status: Not Defended. (Do not cite until it has not assigned DOI number!)

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year