University of Groningen

On the complex stellar populations of ancient stellar systemsSavino, Alessandro

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Publication date:2018

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):Savino, A. (2018). On the complex stellar populations of ancient stellar systems. [Groningen]: University ofGroningen.

CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

Download date: 05-09-2020

SAMENVATTING

Een van de belangrijkste onderzoeksgebieden in de moderne astrofysicabetreft de vorming van sterrenstelsels en andere stersystemen. Terwijlastronomen over een grote hoeveelheid data beschikken van de eigen-schappen van het hedendaagse universum, wordt onze kennis in groteremate beperkt naarmate we verder terug gaan in de tijd. Een duidelijkbegrip van de vorming van stersystemen in het vroege universum isniettemin van groot belang. Een veelgebruikte manier om het vroegeuniversum te bestuderen, is door middel van oude stersystemen in de buurtte observeren en vervolgens hun verleden te reconstrueren, gebaseerdop hun huidige eigenschappen. Deze methode wordt ook wel “StellaireArcheologie” genoemd.

Een opmerkelijke ontdekking van stellaire archeologische studies, isdat vele oude stersystemen veel complexer zijn dan eerder gedacht werd.De sterren waaruit deze systemen bestaan, kunnen in verschillende popu-laties onderverdeeld worden, gebaseerd op verschillen in de chemischesamenstelling, beweging, en mogelijk de leeftijd. Deze ontdekking geeftaan dat deze objecten op een complexe manier gevormd zijn, die we nogniet volledig begrijpen.

Complexe sterpopulaties in dwergsterrenstelsels

Dwergstelsels zijn kleine sterrenstelsels, die tientallen tot duizenden kerenlichter zijn dan de Melkweg, en vertegenwoordigen het meest voorkomendetype sterrenstelsels in het universum. Het begrijpen van de formatievan deze objecten is erg belangrijk, omdat ze worden beschouwd als debouwstenen, die samen grotere sterrenstelsels gevormd hebben. Onderdeze objecten bevinden zich bolvormige dwerg sterrenstelsels, (Fig. 1) diebehoren tot de eenvoudigste sterrenstelsels. Ze bestaan voornamelijkuit oude sterren, daarnaast werd er gedacht dat ze een eenvoudigeformatiegeschiedenis ondergaan zijn.

In de afgelopen 20 jaar is echter erkend dat zelfs bolvormige dwergs-terrenstelsels verschillende populaties van sterren bevatten, waarvan de

119

SAMENVATTING

Figuur 1: Afbeelding, verkregen met de Hubble Ruimte Telescoop, van eenbolvormige dwergsterrenstelsel. Dit sterrenstelsel, Tucana, is bestudeerd inhoofdstuk 4. Kredieten: LCID-team

oorsprong nog onbekend is. De complexe aard van de sterpopulaties in dezesterrenstelsels kan op veel manieren onthuld worden, bijvoorbeeld doorhet meten van de bewegingen van sterren, hun chemische samenstelling, ofhun positie in het sterrenstelsel. Er zou dan een vergelijkbare complexiteitverwacht worden in de snelheid waarmee nieuwe sterren gevormd werdenin deze sterrenstelsels gedurende hun leeftijd. Dit wordt ook wel de“stervormingsgeschiedenis” genoemd en kan worden bepaald door detemperatuur en lichtsterkteverdeling van de sterren in de systemen die we

120

observeren te analyseren. Tot op heden is de complexe geschiedenis vanstervorming alleen in extreme bolvormige dwerg sterrenstelsels gemeten.

Momenteel worden de beste metingen met betrekking tot de ster-vormingsgeschiedenis verkregen, door waterstof-brandende sterren tebestuderen, de zogenaamde “hoofdreeks” sterren. Deze sterren wordenheel goed begrepen, hun leeftijd kan heel eenvoudig bepaald wordenaan de hand van hun lichtkracht en temperatuur. Dit zijn echter sterrenmet een heel zwakke lichtkracht, en zorgt voor twee moeilijkheden.Ten eerste, deze sterren kunnen alleen waargenomen worden in kleineaantallen in zeer nabije sterrenstelsels. Bovendien, zelfs wanneer we dezesterren waarnemen, zullen de grote onzekerheden in hun lichtsterkte entemperatuur de nauwkeurigheid beperken waarmee we de leeftijd kunnenbepalen. Dit is een mogelijke oorzaak waarom we niet veel complexestervormingsgeschiedenissen hebben waargenomen.

Horizontale tak sterren als leeftijdsindicatoren

Afhankelijk van hun massa en leeftijd, kunnen sterren verschillende nucle-aire brandstoffen verbranden in hun interieur. Hoewel de meerderheid vande sterren waterstof verbrandt in hun kernen, verbrandt een fractie helium.Wanneer helium-brandende sterren massa’s hebben die vergelijkbaar oflager zijn dan de massa van de zon, worden dit “horizontale tak sterren”genoemd. Dergelijke sterren worden in bijna alle oude sterpopulatiesaangetroffen.

In oude stersystemen zijn horizontale tak sterren veel helderder danhoofdreekssterren. Bovendien is hun temperatuurverdeling zeer gevoeligvoor de stervormingsgeschiedenis van het sterrenstelsel waarin ze zichbevinden. Om deze redenen hebben deze sterren het potentieel omnauwkeurige leeftijdsmetingen te leveren. Niet alleen de analyse vanhorizontale tak sterren zou tot naukeurige stervormingsgeschiedenissenkunnen leiden, maar dankzij hun helderheid zou het kunnen wordenuitgevoerd op een groot aantal sterrenstelsels, waar hoofdreekssterren nietwaargenomen kunnen worden.

Het is echter ingewikkelder om leeftijden van horizontale tak sterren afte leiden ten opzichte van hoofdreekssterren. Voordat helium verbrandingplaats vindt, ondergaan deze sterren een fase waarin ze een aanzienlijkehoeveelheid massa verliezen, als gevolg van stellaire winden. Dehoeveelheid verloren massa verandert de temperatuur van horizontaletak sterren. Een beter begrip van deze parameter, die tot op heden beperktis, is dan ook essentieel om betrouwbare leeftijden af te leiden. Ons gebrek

121

SAMENVATTING

Figuur 2: M13, een heldere bolvormige sterrenhoop in het sterrenbeeldHercules. Dit object is bestudeerd in hoofdstuk 5. Kredieten: Marco Burali,Tiziano Capecchi en Marco Mancini.

aan kennis over massaverlies van deze sterren is de belangrijkste redenwaarom horizontale tak sterren niet routinematig gebruikt worden omstervormingsgeschiedenissen te bepalen.

Complexe sterpopulaties in bolvormige sterrenho-pen

Bolvormige sterrenhopen zijn compacte ophopingen van sterren, aanwezigin onze Melkweg en de meeste externe sterrenstelsels (Fig. 2). Dezeobjecten zijn erg oud en worden gezien als de overblijfselen van de vormingvan grote sterrenstelsels.

Jarenlang werd gedacht dat bolvormige sterrenhopen bestaan uitsterren met dezelfde leeftijd en chemische samenstelling. Tegenwoordigis duidelijk dat ook bolvormige sterrenhopen over complexiteiten inhun sterpopulaties kunnen beschikken. Deze complexiteiten verschillenintrinsiek van die, die gevonden zijn in dwergstelsels, en zijn misschienzelfs raadselachtiger.

122

Terwijl de hoeveelheid van bepaalde elementen, zoals ijzer en nikkel,per massa eenheid hetzelfde is tussen verschillende sterren in een bolhoop,tonen de mate van aanwezigheid van bepaalde elementen zoals koolstof,stikstof en helium een variatie van ster tot ster. Sterren in een bolhoopworden meestal gegroepeerd in een “oer” populatie en een “verrijkte”populatie, gebaseerd op hun chemische samenstelling. De oorsprong vandeze veelvoudige sterpopulaties is nog steeds een mysterie, tot op heden iser geen bevredigende verklaring voor de eigenschappen van deze sterren.

Een belangrijke bron van informatie om dit probleem te begrijpen,is waar sterren van verschillende groepen worden gevonden in eenbolhoop. Afhankelijk van de manier waarop deze veelvoudige populatieszijn ontstaan, kunnen we verwachten dat de fractie van oersterren tenopzichte van verrijkte sterren anders is naarmate we ons van het centrumvan een bolhoop naar de buitengebieden verplaatsen. Het verkrijgen vanmetingen van de chemische samenstelling voor een groot aantal sterrenin een bolhoop is echter zeer tijdrovend. Een alternatieve techniek, isom naar de kleur van rode reus sterren te kijken om zo hun chemischesamenstelling vast te stellen. Dit is een effectieve strategie om een grootaantal sterren te classificeren, maar vereist data van goede kwaliteit, dievaak verkregen wordt met de Hubble Ruimte Telescoop, puur gericht ophet centrum van een bolhoop, waarbij de buitengebieden verwaarloosdworden.

Dit proefschrift

In dit proefschrift behandel ik onderzoek dat gericht is tot het verkrijgenvan een beter begrip van de complexe populaties in oude stersystemenom ons heen. Het grootste gedeelte van mijn werk (Hoofdstukken 2,3, 4) spitst zich toe op het gebruik van horizontale tak sterren, om zometingen van stervormingsgeschiedenissen in nabijgelegen sterrenstelselste verbeteren. Ook toon ik onderzoek naar de meervoudige sterpopulatiesvan de bolvormige sterrenhoop M13 (hoofdstuk 5).

In hoofdstuk 2 analyseer ik een bolvormig dwerg sterrenstelsel,genaamd Carina. Ik begin mijn studie met als doel om een bestaandestervormingsgeschiedenis te gebruiken, die afgeleid is van dit sterrenstelselmet behulp van waterstof-brandende sterren, om zo de eigenschappen vande horizontale tak sterren van Carina te reproduceren. Ik merk echterdat, met de veronderstelde stervormingsgeschiedenis, geen bevredigendmodel van deze sterren kan worden gevonden. De meest waarschijnlijkeverklaring voor deze onenigheid, is dat de nauwkeurigheid van de

123

SAMENVATTING

stervormingsgeschiedenis, afgeleid van hoofdreekssterren onvoldoendeis om de gedetailleerde temperatuurverdeling van horizontale tak sterrente voorspellen.

Vervolgens onderzoek ik welke beperkingen kunnen worden opgelegdaan de stervormingsgeschiedenis van Carina, gebaseerd op wat we wetenover horizontale tak sterren. Ik laat zien dat de stervormingsgeschiedenisvan dit sterrenstelsel consistent is met verschillende voorvallen vanstervorming, integestelling tot een continue verdeling. Het gebrek aankennis over de precieze hoeveelheid verloren massa door horizontaletak sterren, samen met de zeer eenvoudige analyse die ik uitvoer in dithoofdstuk, stellen mij niet in staat om betrouwbare leeftijdsmetingen uit tevoeren van deze gebeurtenissen en hoe krachtig ze waren.

De hoofdconclusie die in dit hoofdstuk wordt bereikt, is een bevestiging,zoals verwacht van theoretische modellen, van het vermogen van hetanalyseren van horizontale tak sterren om leeftijdsmetingen te verfijnenvoor sterren in externe sterrenstelsels. De resultaten van dit werk zijn eeneerste aanwijzing dat populaties van sterren die we zien in bolvormigedwerg sterrenstelsels het resultaat zijn van meerdere gebeurtenissen vanstervorming in het verre verleden van deze objecten. Bovendien, zelfs als ergeen kwantitatieve meting kunnen worden verricht, onthult het modellerenvan horizontale tak sterren in Carina dat de hoeveelheid verloren massadoor deze sterren vergelijkbaar is met eerdere metingen in een andersterrenstelsel, de Beeldhouwer.

Het onderzoek dat op Carina uitgevoerd is, ondersteunde de haal-baarheid van de ontwikkeling van een geavanceerdere analysetool, omde eigenschappen van horizontale tak sterren te betrekken bij het metenvan stervormingsgeschiedenissen. Deze tool, genaamd MORGOTH dat ikin hoofdstuk 3 behandel, gebruikt een betrekkelijke rekenkracht voor hetmodelleren van hoofdreekssterren en horizontale tak sterren om gelijktijdignauwkeurige stervormingsgeschiedenissen en de hoeveelheid verlorenmassa door horizontale sterren te meten.

Met behulp van gesimuleerde waarnemingen test ik MORGOTH, enkom tot de conclusie dat het de precisie van leeftijdsmetingen van oudesterren kan verdubbelen, ten opzichte van alleen gebruik te maken vanwaterstof-brandende sterren. Een bijkomende test op een goed bestudeerdsterrenstelsel, de Beeldhouwer, bevestigt de betrouwbaarheid van dezemetingen, zowel voor de stervomingsgeschiedenis als het massa verlies. Hetmeenemen van informatie over helium-brandende sterren onthult dat ookin dit sterrenstelsel twee gebeurtenissen van sterformatie plaatsgevondenhebben.

124

De mogelijkheden van de methode die in dit hoofdstuk ontwikkeld is,maakt interessante opties mogelijk voor de studie van sterrenstelsels omons heen. De toegenomen precisie van leeftijdsmetingen betekent dat weeen gedetailleerdere kijk kunnen hebben naar het oude verleden van nabijesterrenstelsels, en het maakt het gemakkelijker om verschillende fasen vanactiviteit te identificeren in hun stervormingsgeschiedenis. De mogelijkheidom leeftijden toe te kennen aan verschillende sterpopulaties die waargeno-men worden in dwerg sterrenstelsels, zal een stukje informatie toevoegenover deze systemen en helpt ons de puzzel van hun formatie op te lossen.Bovendien maakt het vermogen om het massaverlies van een sterren temeten, de weg vrij voor metingen van de stervormingsgeschiedenis, diealleen op horizontale tak sterren gebaseerd zijn. Zodra we dit bereiken,zullen we toegang hebben tot de formatiegeschiedenis van veel meersterrenstelsels, waardoor het bereik van sterrenarcheologie verder dan ooituitgebreid wordt.

In hoofdstuk 4 focus ik me op een uitdagender sterrenstelsel, genaamdTucana. Dit sterrenstelsel bevindt zich aan de rand van de Lokale Groepvan sterrenstelsels, en dankzij zijn afstand, hebben we geen gedetailleerdeinformatie over zijn sterpopulatie. De gelijktijdige analyse van horizontaletak en hoofdreekssterren met MORGOTH, mogelijk dankzij de nauwkeurigedata van de Hubble Ruimte Telescoop, geeft een zeer gedetailleerdestervormingsgeschiedenis van dit sterrenstelsel, waar drie verschillendefasen van stervormingsactiviteit kunnen worden geıdentificeerd. Ditresultaat ondersteunt het idee dat complexe stervormingsgeschiedenissengebruikelijke kenmerken zijn van bolvormige dwerg sterrenstelsels. Depositie van de verschillende sterpopulaties in Tucana onthullen dat jongeresterren bij voorkeur in het centrale gebied van dit sterrenstelsel gevormdwerden. De kwaliteit van de data die voor deze analyse gebruikt werd,maakte een zeer nauwkeurige meting mogelijk van het massaverlies vansterren, compatibel met wat gemeten is in Beeldhouwer.

Hoofdstuk 5 behandelt een ander onderwerp, en bestudeert decomplexe sterpopulatie van M13, een heldere en massieve bolhoop in onzeMelkweg. Ik combineer data van de Hubble Ruimte Telescoop met datavan een observatorium op de aarde om de kleur van rode reuzensterrenin M13 te bestuderen, naast het identificeren van oer en verrijkte sterren,zowel in het centrum als in de buitengebieden van de bolhoop. Naast eenverificatie van de analysetechniek, die gebruikt is in deze studie, laat dithoofdstuk zien dat de verhouding van oer tot verrijkte sterren in M13 nietvarieert met de afstand tot het centrum van de bolhoop. Een dergelijkebevinding suggereert dat de twee sterpopulaties vermengd zijn met tijd,vanwege evolutionaire effecten, waardoor deze homogeen verdeeld werd.

125

SAMENVATTING

Om te concluderen, verschaft het onderzoek in dit proefschriftanalysetools om een dieper inzicht in de oude sterpopulaties te verschaffen,zowel binnen als buiten onze Melkweg. Het natuurlijke vervolg van ditonderzoek, is om vergelijkbare studies uit te voeren op een groter aantalstersystemen, om naar verschillen en overeenkomsten in sterpopulatiesvan verschillende objecten te kijken, om zo een weg vrij te maken voor detoenemende waarneemcapaciteiten die de volgende generatie observatoriain het komende decennium kunnen bieden.

126