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Low-mass Stellar Evolution Traced with Non-LTE Abundances

Gao, Xudong

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Abstract

The detailed chemical composition of stellar atmospheres can reveal the structure and evolution of the stellar interiors, otherwise hidden from direct site, as well as the structure and evolution of our entire Galaxy. The advent of several large-scale stellar spectroscopic surveys promises breakthroughs in our understanding of the physical processes that shape stellar surface abundances. However, the full potential of these extremely large and precise surveys is not yet being reached, as standard elemental abundance determinations today are based on the simplifying and incorrect assumption that the stellar atmosphere is in local thermodynamic equilibrium (LTE).

In this thesis I have employed non-LTE radiative transfer methods to tackle two outstanding astrophysical problems. The first problem is related to the chemical homogeneity in the open clusters, which for example is very important to understand how disrupted clusters have formed the Galactic disk and pinpoint the birth location of field stars. Abundance trends with stellar effective temperature have been found in all the analysed elements, indicating that the chemical abundance varies along with evolutionary phase past the turn-off. The overall agreement between our measured abundance patterns and the predictions by the stellar models with atomic diffusion and mixing, implies that the process of atomic diffusion poses a non-negligible effects during the main-sequence phase, which leads to the inhomogeneities in the abundances of open clusters.

The second problem is related to lithium evolution in low-mass main-sequence stars. The primordial elemental abundances predicted by Standard Big Bang nucleosynthesis (SBBN) generally show good agreement with observations. However, a glaring exception is the cosmic abundance of lithium, which SBBN estimates to be three times higher than what is observed in the atmospheres of metal-poor stars in the Galactic halo (i.e. stars on the so-called Spite Plateau). This long-recognized discrepancy has become known as the Cosmological Lithium Problem. In this thesis, I present observational evidence, based on a state-of-the-art non-LTE spectroscopic analysis of more than 100,000 stars from the large-scale spectroscopic “Galactic Archaeology with HERMES"(GALAH) survey, that the surface lithium abundances of these Spite Plateau do not in fact reflect their initial (SBBN) lithium abundances; rather, they have been depleted by a factor of three. This further strengthens the case for an astrophysical solution to the cosmological problem, reconciling tension with predictions of the SBBN.

Translation of abstract (German)

Die detaillierte chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären kann die Struktur und Entwicklung der Sterninnern, die dem direkten Betrachter verborgen sind, sowie die Struktur und Entwicklung unserer ganzen Galaxie offenlegen. Das Aufkommen zahlreicher groß angelegter spektroskopischer Durchmusterungen von Sternen verspricht Durchbrüche in unserem Verständnis physikalischer Prozesse, die die Elementhäufigkeiten an der Sternoberfläche beeinflussen. Das vollständige Potential dieser äußerst großen und präzisen Durchmusterungen ist derzeit jedoch noch nicht erreicht, da die derzeit üblicherweise benutzten Bestimmungen der Elementhäufigkeiten auf der vereinfachenden und inkorrekten Annahme beruhen, dass sich die Sternatmosphäre im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (local thermodynamic equilibrium, LTE) befindet.

In der vorliegenden Dissertation habe ich Strahlungstransportmethoden verwendet, die von der Annahme des LTE abweichen (non-LTE), um zwei ausstehende astrophysikalische Probleme anzugehen. Das erste Problem hängt mit der chemischen Homogenität von offenen Sternhaufen zusammen, welche zum Beispiel sehr wichtig ist, um zu verstehen, wie aufgelöste Sternhaufen die galaktische Scheibe geformt haben, und um die Geburtsorte von Feldsternen zu lokalisieren. Tendenzen der Häufigkeit mit der effektiven Temperatur von Sternen wurden für alle untersuchten Elemente gefunden, was darauf hindeutet, dass die chemische Häufigkeit entlang der Evolutionsphase nach dem Abzweigen variiert. Das grundsätzliche Übereinstimmen zwischen unseren gemessenen Häufigkeitsverteilungen und den Vorhersagen von Sternenmodellen mit atomarer Diffusion und Durchmischung zeigt, dass der Prozess der atomaren Diffusion einen nicht vernachlässigbaren Effekt während der Hauptreihenphase darstellt, welcher zu Inhomogenitären in den Elementhäufigkeiten offener Sternhaufen führt.

Das zweite Problem befasst sich mit der Entwicklung von Lithium in Hauptreihensternen mit geringer Masse. Die ursprüngliche Elementhäufigkeit, die durch die Standard Big Bang Nukleosynthese (SBBN) vorhergesagt wird, zeigt gerell eine gute Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Die komsiche Elementhäufigkeit von Lithium ist jedoch eine eklatante Ausnahme, da die SBBN diese drei mal höher bestimmt als Beobachtungen in Sternatmosphären von metal-armen Sternen der galaktischen Halo (d.h. Sternen entlang des sogenannten Spite-Plateaus). Diese langzeit bekannte Diskrepanz ist als das Kosmologische Lithium Problem bekannt geworden. In dieser Dissertation präsentiere ich empirische Beweise, die auf hochmodenen spectroskopischen non-LTE Analysen von mehr als 100,000 Sternen der groß angelegten spektroschopischen "Galactic Archaeology with HERMES"(GALAH) Durchmusterung berufen, und zeigen, dass die Oberflächen-Lithiumhäufigkeiten an des Spite-Plateaus in der Tat nicht deren anfängliche (SBBN) Lithiumhäufigkeiten wiederspiegeln; vielmehr wurden sie um das Dreifache erschöpft. Dies bestärkt die Möglichkeit einer astrophysikalischen Lösung des kosmlogischen Problems, indem die Spannungen mit den Vorhersagen der SBBN in Einklang gebacht werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lind, Dr. Karin
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 6 February 2020
Date Deposited: 04 Mar 2020 12:42
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
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