TY  - THES
A1  - Das, Samata
T1  - Modelling particle acceleration in core-collapse supernova remnants inside circumstellar wind-blown bubbles
T1  - Modellierung der Teilchenbeschleunigung in Kernkollaps-Supernova-Überresten innerhalb zirkumstellaren windgeblasenen Blasen
N2  - Supernova remnants are considered to be the primary sources of galactic cosmic rays. These cosmic rays are assumed to be accelerated by the diffusive shock acceleration mechanism, specifically at shocks in the remnants. Particularly in the core-collapse scenario, these supernova remnant shocks expand inside the wind-blown bubbles structured by massive progenitors during their lifetime. Therefore, the complex environment of wind bubbles can influence the particle acceleration and radiation from the remnants. Further, the evolution of massive stars depends on their Zero Age Main Sequence mass, rotation, and metallicity. Consequently, the structures of the wind bubbles generated during the lifetime of massive stars should be considerably different. Hence, the particle acceleration in the core-collapse supernova remnants should vary, not only from the remnants evolving in the uniform environment but also from one another, depending on their progenitor stars.
A core-collapse supernova remnant with a very massive 60 𝑀 ⊙ progenitor star has been considered to study the particle acceleration at the shock considering Bohm-like diffusion. This dissertation demonstrates the modification in particle acceleration and radiation while the remnant propagates through different regions of the wind bubble by impacts from the profiles of gas density, the temperature of the bubble and the magnetic field structure. Subsequently, in this thesis, I discuss the impacts of the non-identical ambient environment of core-collapse supernova remnants on particle spectra and the non-thermal emissions, considering 20 𝑀 ⊙ and 60 𝑀⊙ massive progenitors having different evolutionary tracks. Additionally, I also analyse the effect of cosmic ray streaming instabilities on particle spectra.
To model the particle acceleration in the remnants, I have performed simulations in one-dimensional spherical symmetry using RATPaC code. The transport equation for cosmic rays and magnetic turbulence in test-particle approximation, along with the induction equation for the evolution of the large-scale magnetic field, have been solved simultaneously with the hydrodynamic equations for the expansion of remnants inside the pre-supernova circumstellar medium.
The results from simulations describe that the spectra of accelerated particles in supernova remnants are regulated by density fluctuations, temperature variations, the large-scale magnetic field configuration and scattering turbulence. Although the diffusive shock acceleration mechanism at supernova remnant shock predicts the spectral index of 2 for the accelerated non-thermal particles, I have obtained the particle spectra that deviate from this prediction, in the core-collapse scenario. I have found that the particle spectral index reaches 2.5 for the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor when the remnant resides inside the shocked wind region of the wind bubble, and this softness persists at later evolutionary stages even with Bohm-like diffusion for accelerated particles. However, the supernova remnant with 20 𝑀 ⊙ progenitor does not demonstrate persistent softness in particle spectra from the influence of the hydrodynamics of the corresponding wind bubble. At later stages of evolution, the particle spectra illustrate softness at higher energies for both remnants as the consequence of the escape of high-energy particles from the remnants while considering the cosmic ray streaming instabilities. Finally, I have probed the emission morphology of remnants that varies depending on the progenitors, particularly in earlier evolutionary stages. This dissertation provides insight into different core-collapse remnants expanding inside wind bubbles, for instance, the calculated gamma-ray spectral index from the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor at later evolutionary stages is consistent with that of the observed supernova remnants expanding in dense molecular clouds.
N2  - Supernova-Überreste gelten als die Hauptquellen der galaktischen kosmischen Strahlung. Diese kosmische Strahlung wird vermutlich durch den Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung beschleunigt, insbesondere durch Schocks in den Überresten. Insbesondere im Szenario des Kernkollapses werden diese Supernova-Überreste innerhalb der windgeblasenen Blasen aus, die von massiven Progenitoren während ihrer Lebenszeit. Daher kann die komplexe Umgebung der Windblasen die Teilchenbeschleunigung und die Strahlung der Überreste beeinflussen. Außerdem hängt die Entwicklung von massereichen Sternen von ihrer Masse, Rotation und Metallizität in der Nullzeit der Hauptreihe ab. Folglich sollten die Strukturen der Windblasen, die während der Lebensdauer massereicher Sterne erzeugt werden, sehr unterschiedlich sein. Folglich sollte die Teilchenbeschleunigung in den Kernkollaps Supernovaüberresten nicht nur von den Überresten unterscheiden, die sich in einer einheitlichen Umgebung, sondern auch voneinander, je nach ihren Vorgängersternen.
Ein Kernkollaps-Supernova-Überrest mit einem sehr massereichen 60 𝑀 ⊙ Vorläuferstern wurde betrachtet, um die Teilchenbeschleunigung am Schock unter Berücksichtigung der Bohm-ähnlichen Diffusion zu untersuchen. Diese Dissertation zeigt die Veränderung der Teilchenbeschleunigung und der Strahlung, während sich der Überrest durch verschiedene Regionen der Windblase ausbreitet, anhand der Profile der Gasdichte, der Temperatur der Blase und der Magnetfeldstruktur. Anschließend diskutiere ich in dieser Arbeit die Auswirkungen der nicht-identischen Umgebung von Supernova-Überresten auf die Teilchenspektren und die nicht-thermischen Emissionen unter Berücksichtigung von 20 𝑀 ⊙ und 60 𝑀 ⊙ massiven Vorläufern mit unterschiedlichen Entwicklungspfaden. Darüber hinaus analysiere ich auch die Auswirkungen von Instabilitäten der kosmischen Strahlung auf die Teilchenspektren.
Um die Teilchenbeschleunigung in den Überresten zu modellieren, habe ich Simulationen in eindimensionaler dimensionalen sphärischen Symmetrie mit dem RATPaC-Code durchgeführt. Die Transportgleichung für kosmische Strahlung und die magnetische Turbulenz in der Testteilchen-Näherung, zusammen mit der Induktionsgleichung Induktionsgleichung für die Entwicklung des großräumigen Magnetfeldes, wurden gleichzeitig mit den hydro-dynamischen Gleichungen für die Expansion der Überreste im zirkumstellaren Medium vor der Supernova zirkumstellaren Mediums gelöst.
Die Ergebnisse der Simulationen beschreiben, dass die Spektren der beschleunigten Teilchen in Supernovaüberresten durch Dichtefluktuationen, Temperaturschwankungen, die großräumige Magnetfeldkonfiguration und Streuturbulenzen reguliert werden. Obwohl der Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung im Supernova-Überrest einen Spektralindex von 2 für die beschleunigten nicht-thermischen Teilchen vorhersagt, habe ich im Szenario des Kernkollapses Teilchenspektren erhalten, die von dieser Vorhersage abweichen. Ich habe herausgefunden, dass der Spektralindex der Teilchen für den Supernova-Überrest mit einem 60 𝑀 ⊙ Vorläufer 2,5 erreicht, wenn sich der Überrest in der geschockten Windregion der Windblase befindet, und diese Schwäche bleibt auch in späteren Entwicklungsstadien bestehen, selbst bei einer Bohm-ähnlichen Diffusion für beschleunigte Teilchen. Der Supernova-Überrest mit 20 𝑀 ⊙ Vorläufer zeigt jedoch keine anhaltende Weichheit in Teilchenspektren durch den Einfluss der Hydrodynamik der entsprechenden Windblase. In späteren Entwicklungsstadien zeigen die Teilchenspektren für beide Überreste eine Weichheit bei höheren Energien als Folge des Entweichens hochenergetischer Teilchen aus den Überresten unter Berücksichtigung der Instabilitäten des kosmischen Strahlenstroms. Schließlich habe ich die Emissionsmorphologie der Überreste untersucht, die je nach den Vorläufern variiert, insbesondere in früheren Entwicklungsstadien. Diese Dissertation gibt Aufschluss über verschiedene Kernkollapsüberreste, die sich in Windblasen ausdehnen. So stimmt beispielsweise der berechnete Gammastrahlen-Spektralindex des Supernova-Überrests mit 60 𝑀 ⊙ Vorläufer in späteren Entwicklungsstadien mit dem der beobachteten Supernova-Überreste überein, die sich in dichten Molekülwolken ausdehnen.
KW  - stellar evolution
KW  - wind bubble
KW  - supernova remnant
KW  - particle acceleration
KW  - non-thermal emission
KW  - nicht-thermische Emission
KW  - Teilchenbeschleunigung
KW  - Sternentwicklung
KW  - Supernova-Überrest
KW  - Windblase
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-614140
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ilić Petković, Nikoleta
T1  - Stars under influence: evidence of tidal interactions between stars and substellar companions
T1  - Sterne unter Einfluss: Beweise für Gezeitenwechselwirkungen zwischen Sternen und substellaren Begleitern
N2  - Tidal interactions occur between gravitationally bound astrophysical bodies. If their spatial separation is sufficiently small, the bodies can induce tides on each other, leading to angular momentum transfer and altering of evolutionary path the bodies would have followed if they were single objects. The tidal processes are well established in the Solar planet-moon systems and close stellar binary systems. However, how do stars behave if they are orbited by a substellar companion (e.g. a planet or a brown dwarf) on a tight orbit? 

Typically, a substellar companion inside the corotation radius of a star will migrate toward the star as it loses orbital angular momentum. On the other hand, the star will gain angular momentum which has the potential to increase its rotation rate. The effect should be more pronounced if the substellar companion is more massive. As the stellar rotation rate and the magnetic activity level are coupled, the star should appear more magnetically active under the tidal influence of the orbiting substellar companion. However, the difficulty in proving that a star has a higher magnetic activity level due to tidal interactions lies in the fact that (I) substellar companions around active stars are easier to detect if they are more massive, leading to a bias toward massive companions around active stars and mimicking the tidal interaction effect, and that (II) the age of a main-sequence star cannot be easily determined, leaving the possibility that a star is more active due to its young age.

In our work, we overcome these issues by employing wide stellar binary systems where one star hosts a substellar companion, and where the other star provides the magnetic activity baseline for the host star, assuming they have coevolved, and thereby provides the host's activity level if tidal interactions have no effect on it. Firstly, we find that extrasolar planets can noticeably increase the host star's X-ray luminosity and that the effect is more pronounced if the exoplanet is at least Jupiter-like in mass and close to the star. Further, we find that a brown dwarf will have an even stronger effect, as expected, and that the X-ray surface flux difference between the host star and the wide stellar companion is a significant outlier when compared to a large sample of similar wide binary systems without any known substellar companions. This result proves that substellar hosting wide binary systems can be good tools to reveal the tidal effect on host stars, and also show that the typical stellar age indicators as activity or rotation cannot be used for these stars. Finally, knowing that the activity difference is a good tracer of the substellar companion's tidal impact, we develop an analytical method to calculate the modified tidal quality factor Q' of individual host stars, which defines the tidal dissipation efficiency in the convective envelope of a given main-sequence star.
N2  - Gezeitenwechselwirkungen treten zwischen gravitativ gebundenen astrophysikalischen Körpern auf. Wenn ihr räumlicher Abstand hinreichend gering ist, können die Körper gegenseitig Gezeiten hervorrufen, die eine Drehimpulsübertragung bewirken und den Entwicklungsweg der Körper verändern, den sie als Einzelobjekte einschlagen würden. Die Gezeitenprozesse sind in den Planet-Mond-Systemen des Sonnensystems und in engen Doppelsternsystemen gut bekannt. Wie verhalten sich jedoch Sterne, die von einem substellaren Begleiter (z. B. einem Planeten oder einem Braunen Zwerg) auf einer engen Bahn umkreist werden? 
 

In der Regel wandert ein substellarer Begleiter innerhalb des Korotationsradius eines Sterns in Richtung des Sterns, da er an Bahndrehimpuls verliert. Auf der anderen Seite gewinnt der Stern an Drehimpuls, was seine Rotationsrate erhöhen kann. Dieser Effekt dürfte umso ausgeprägter sein, je massereicher der substellare Begleiter ist. Da die Rotationsrate des Sterns und das Niveau der magnetischen Aktivität gekoppelt sind, sollte der Stern unter dem Gezeiteneinfluss des ihn umkreisenden substellaren Begleiters magnetisch aktiver erscheinen. Die Schwierigkeit beim Nachweis, dass ein Stern aufgrund von Gezeitenwechselwirkungen eine höhere magnetische Aktivität aufweist, liegt jedoch darin, dass (I) substellare Begleiter um aktive Sterne leichter aufzuspüren sind, wenn sie massereicher sind, wodurch eine Tendenz zu massereichen Begleitern um aktive Sterne entsteht und der Effekt der Gezeitenwechselwirkung nachgeahmt wird, und dass (II) das Alter eines Hauptreihensterns nicht leicht bestimmt werden kann, so dass die Möglichkeit besteht, dass ein Stern aufgrund seines jungen Alters aktiver ist.

In unserer Arbeit überwinden wir diese Hindernisse, indem wir weiträumige Doppelsternsysteme verwenden, in denen ein Stern einen substellaren Begleiter beherbergt und in denen der andere Stern den Referenzwert für die magnetische Aktivität des Wirtssterns liefert im Fall das Gezeitenwechselwirkungen keinen Einfluss auf ihn haben, wobei wir davon ausgehen, dass die Sterne sich gemeinsam entwickelt haben. Erstens stellen wir fest, dass extrasolare Planeten die Röntgenleuchtkraft des Wirtssterns merklich erhöhen können und dass der Effekt ausgeprägter ist, wenn der Exoplanet mindestens eine jupiterähnliche Masse hat und sich nahe am Stern befindet. Darüber hinaus stellen wir fest, dass ein Brauner Zwerg erwartungsgemäß einen noch stärkeren Einfluss hat und dass der Unterschied im Röntgenflächenfluss zwischen dem Wirtsstern und dem weiträumigen stellaren Begleiter ein signifikanter Ausreißer im Vergleich zu einer großen Stichprobe ähnlicher weiträumiger Doppelsternsysteme ohne bekannte substellare Begleiter ist. Dieses Ergebnis beweist, dass weiträumige Doppelsternsysteme mit substellaren Begleitern ein gutes Werkzeug sein können, um den Gezeiteneffekt auf Wirtssterne aufzudecken, und zeigt auch, dass die typischen stellaren Altersindikatoren wie Aktivität oder Rotation für diese Sterne nicht verwendet werden können. Mit dem Wissen, dass der Aktivitätsunterschied ein guter Indikator für den Gezeiteneinfluss des substellaren Begleiters ist, entwickeln wir schließlich eine analytische Methode zur Berechnung des modifizierten Gezeitenqualitätsfaktors Q' für einzelne Wirtssterne, der die Effizienz der Gezeitendissipation in der konvektiven Hülle eines gegebenen Hauptreihensterns definiert.
KW  - stellar evolution
KW  - tidal interactions
KW  - star-planet systems
KW  - star-brown dwarf systems
KW  - Stern-Brauner Zwerg Systeme
KW  - Stern-Planet Systeme
KW  - Sternentwicklung
KW  - Gezeitenwechselwirkungen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-615972
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ramachandran, Varsha
T1  - Massive star evolution, star formation, and feedback at low metallicity
T1  - Massive Sternentwicklung, Sternentstehung, und das Feedback bei niedriger Metallizität
BT  - quantitative spectroscopy of OB stars in the Magellanic Clouds
N2  - The goal of this thesis is to broaden the empirical basis for a better, comprehensive understanding
of massive star evolution, star formation and feedback at low metallicity. Low metallicity massive stars are a key to understand the early universe. Quantitative information on metal-poor massive stars was sparse before. The quantitative spectroscopic studies of massive star populations associated with large-scale ISM structures were not performed at low metallicity before, but are important to investigate star-formation histories and feedback in detail.  Much of this work relies on spectroscopic observations with VLT-FLAMES of ~500 OB stars in the Magellanic Clouds. When available, the optical spectroscopy was complemented by UV spectra from the HST, IUE, and FUSE archives. The two representative young stellar populations that have been studied are associated with the superbubble N 206 in the Large Magellanic Cloud (LMC) and with the supergiant shell SMC-SGS 1 in the Wing of the Small Magellanic Cloud (SMC), respectively. We performed spectroscopic analyses of the massive stars using the nonLTE Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) model atmosphere code. We estimated the stellar, wind, and feedback parameters of the individual massive stars and established their statistical distributions.

The mass-loss rates of N206 OB stars are consistent with theoretical expectations for LMC metallicity. The most massive and youngest stars show nitrogen enrichment at their surface and are found to be slower rotators than the rest of the sample. The N 206 complex has undergone star formation episodes since more than 30 Myr, with a current star formation rate higher than average in the LMC. The spatial age distribution of stars across the complex possibly indicates triggered star formation due to the expansion of the superbubble. Three very massive, young Of stars in the region dominate the ionizing and mechanical feedback among hundreds of other OB stars in the sample. The current stellar wind feedback rate from the two WR stars in the complex is comparable to that released by the whole OB sample. We see only a minor fraction of this stellar wind feedback converted into X-ray emission. In this LMC complex, stellar winds and supernovae equally contribute to the total energy feedback, which eventually powered the central superbubble. However, the total energy input accumulated over the time scale of the superbubble significantly exceeds the observed energy content of the complex. The lack of energy along with the morphology of the complex suggests a leakage of hot gas from the superbubble.

With a detailed spectroscopic study of massive stars in SMC-SGS 1, we provide the stellar and wind parameters of a large sample of OB stars at low metallicity, including those in the lower mass-range. The stellar rotation velocities show a broad, tentatively bimodal distribution, with Be stars being among the fastest.  A few very luminous O stars are found close to the main sequence, while all other, slightly evolved stars obey a strict luminosity limit. Considering additional massive stars in evolved stages, with published parameters and located all over the SMC, essentially confirms this picture. The comparison with single-star evolutionary tracks suggests a dichotomy in the fate of massive stars in the SMC. Only stars with an initial mass below 30 solar masses seem to evolve from the main sequence to the cool side of the HRD to become a red supergiant and to explode as type II-P supernova. In contrast, more massive stars appear to stay always hot and might evolve quasi chemically homogeneously, finally collapsing to relatively massive black holes. However, we find no indication that chemical mixing is correlated with rapid rotation. We measured the key parameters of stellar feedback and established the links between the rates of star formation and supernovae. Our study demonstrates that in metal-poor environments stellar feedback is dominated by core-collapse supernovae in combination with winds and ionizing radiation supplied by a few of the most massive stars. We found indications of the stochastic mode of star formation, where the resulting stellar population is fully capable of producing large-scale structures such as the supergiant shell SMC-SGS 1 in the Wing. The low level of feedback in metal-poor stellar populations allows star formation episodes to persist over long timescales.

Our study showcases the importance of quantitative spectroscopy of massive stars with adequate stellar-atmosphere models in order to understand star-formation, evolution, and feedback. The stellar population analyses in the LMC and SMC make us understand that massive stars and their impact can be very different depending on their environment. Obviously, due to their different metallicity, the massive stars in the LMC and the SMC follow different evolutionary paths. Their winds differ significantly, and the key feedback agents are different. As a consequence, the star formation can proceed in different modes.
N2  - Massereiche Sterne, also Sterne, die ihre Entwicklung mit mehr als acht Sonnenmassen starten, spielen die Hauptrolle in der chemischen Entwicklung des Universums. Darüberhinaus formen sie das sie umgebende interstellare Medium, aus dem sie entstanden sind, durch ihre ionisierende Strahlung und ihre starken Massenausflüsse in Form von Sternwinden und Supernovaexplosionen, das sogenannte Feedback.
Diese Arbeit verbreitert die empirische Basis für ein besseres Verständnis der Entwicklung, Entstehung und des Feedbacks massereicher Sterne bei niedriger Metallizität, wie sie auch im frühen Universum herrschte, wesentlich. Hierfür wurden die Daten von zwei großen spektroskopischen Beobachtungskampagnen in der Großen (LMC) und in der Kleinen Magellanschen Wolke (SMC) - beides Galaxien mit erniedrigter Metallizität - mittels des Non-LTE Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) Model Atmosphere Codes quantitativ analysiert, um wesentliche Stern-, Wind- und Feedbackparameter sowie ihre statistische Verteilung zu bestimmen und damit ein globales Bild der massereichen Sterne und ihrer Wechselwirkung mit der Umgebung zu erhalten. Diese Analysen stützen sich hauptsächlich auf Spektren aus dem optischen Bereich, die mit dem Fibre Large Array Multi Element Spectrograph (FLAMES) am Very Large Telescope (VLT) von ~ 500 OBSternen in den Magellanschen Wolken aufgenommen worden, ergänzt durch UV-Spektren aus den Archiven verschiedener UV-Satelliten. Die zwei repräsentativen jungen Sternpopulationen, die untersucht wurden, gehören zur Superbubble N206 in der LMC beziehungsweise zur Supergiant Shell SMC-SGS 1 im Wing der SMC.
Die analysierte Stichprobe des N206-Komplexes umfasst alle heißen massereichen Sterne vom Typ OB, Of, und Wolf-Rayet, wobei letztere weit entwickelt und durch starke Sternwinde gekennzeichnet sind. Auf Basis unsere Analysen fanden wir heraus, dass der Komplex seit 30 Mio. Jahren mehrere Sternentstehungsepisoden durchlief. Die räumliche Altersverteilung dieser Sterne über den Komplex weist möglicherweise auf getriggerte Sternentstehung infolge der Ausdehnung der Superbubble hin. Drei sehr massereiche, junge Of-Sterne in dieser Region dominieren das ionisierende und mechanische Feedback unter hunderten von anderen OBSternen in der Region.
Die SMC hat eine noch niedrigere Metallizität als die LMC, was sich u.a. auch in der Sternentwicklung niederschlagen sollte. Daher wurde mittels der Daten der Spektralanalysen der Supergiant Shell SMC-SGS 1 in der SMC zusammen mit weiteren Daten aus der Literatur das am dichtesten besiedelte Hertzsprung-Russell-Diagramm der massereichen Sterne in der SMC erstellt. Der Vergleich mit Sternentwicklungsrechnungen suggeriert eine Zweiteilung der Entwicklungswege massereicher Sterne in der SMC. Dabei scheint die gemessene Rotation der Sterne überraschenderweise keinen großen Einfluss zu haben. Wir vermuten daher, dass die Masse und Metallizität der Sterne zusammen hauptverantwortlich für die beobachtete Zweiteilung sind. Desweiteren konnte erstmalig auf einer breiten Datenbasis aufbauend die Korrelation zwischen Metallizität und Stärke von OB-Sternwinden etabliert werden, allerdings sind die ermittelten Windstärken weit schwächer als vorhergesagt (Weak-Wind-Problem) und in Sternentwicklungsrechnungen verwendet. Die Alter und räumliche Verteilung von massereichen Sternen zeigen, dass Sternentstehung seit über 100 Mio. Jahren in der ruhigen Region niedriger Dichte in der SMC eher stochastisch als sequenziell voranschreitet und höher ist als von Messungen diffuser Hα-Emission abgeleitet wurde. Das Feedback in dieser Region wird aufgrund der schwachen Sternwinde durch Supernovae bestimmt, während die Ionization der gesamten Region durch einen einzigen sehr heißen und leuchtkräftigen Wolf-Rayet-Stern dominiert wird. Die niedrige Feedbackrate in metallarmen Sternpopulationen scheint für die Größe und das Überleben von Molekülwolken förderlich zu sein, sodass Sternentstehungsepisoden über einen längeren Zeitraum ablaufen. Solch ausgedehnte Sternentstehung kann dazu führen, dass es eine fortwährende Quelle von ionisierenden Photonen gibt, welche in das zirkumgalaktische Medium durch Löcher oder Kanäle entweichen können, die durch Supernovae erzeugt worden. Diese Studie regt an, dass Sternentstehungsregionen mit langer Geschichte ihre Spuren im umgebenden ISM auch bei niedriger Metallizität hinterlassen werden.
Die zukünftigen großräumigen Spektroskopiestudien von weiter entfernten Galaxien mit noch geringeren Metallizitäten können weitere Einsichten in unser derzeitiges Verständnis von massereichen Sternen bringen.
KW  - massive stars
KW  - stellar feedback
KW  - spectroscopy
KW  - stellar evolution
KW  - star formation
KW  - massive Sterne
KW  - Sternfeedback
KW  - Spektroskopie
KW  - Sternentwicklung
KW  - Sternentstehung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432455
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sablowski, Daniel
T1  - Spectroscopic analysis of the benchmark system Alpha Aurigae
T1  - Spektroskopische Analysen des Vergleichssystems alpha Aurigae
N2  - Binaries play an important role in observational and theoretical astrophysics. Since the mass and the chemical composition are key ingredients for stellar evolution, high-resolution spectroscopy is an important and necessary tool to derive those parameters to high confidence in binaries. This involves carefully measured orbital motion by the determination of radial velocity (RV) shifts and sophisticated techniques to derive the abundances of elements within the stellar atmosphere.

A technique superior to conventional cross-correlation methods to determine RV shifts in known as spectral disentangling. Hence, a major task of this thesis was the design of a sophisticated software package for this approach. In order to investigate secondary effects, such as flux and line-profile variations, imprinting changes on the spectrum the behavior of spectral disentangling on such variability is a key to understand the derived values, to improve them, and to get information about the variability itself. Therefore, the spectral disentangling code presented in this thesis and available to the community combines multiple advantages: separation of the spectra for detailed chemical analysis, derivation of orbital elements, derivation of individual RVs in order to investigate distorted systems (either by third body interaction or relativistic effects), the suppression of telluric contaminations, the derivation of variability, and the possibility to apply the technique to eclipsing binaries (important for orbital inclination) or in general to systems that undergo flux-variations.

This code in combination with the spectral synthesis codes MOOG and SME was used in order to derive the carbon 12C/13C isotope ratio (CIR) of the benchmark binary Capella. The observational result will be set into context with theoretical evolution by the use of MESA models and resolves the discrepancy of theory and observations existing since the first measurement of Capella's CIR in 1976.

The spectral disentangling code has been made available to the community and its applicability to completely different behaving systems, Wolf-Rayet stars, have also been investigated and resulted in a published article.

Additionally, since this technique relies strongly on data quality, continues development of scientific instruments to achieve best observational data is of great importance in observational astrophysics. That is the reason why there has also been effort in astronomical instrumentation during the work on this thesis.
N2  - Doppelsterne spielen eine wichtige Rolle in der beobachtenden und theoretischen Astrophysik. Die Massen und die chemische Zusammensetzung der Sterne sind dabei ausschlaggebende Parameter. Die wichtige und notwendige Methode um diese zu bestimmen ist hochaufgelöste Spektroskopie. Dies beinhaltet eine penible Bestimmung der orbitalen Bewegung durch die Vermessung von Radialgeschwindigkeitsverschiebungen (RV) und fortgeschrittene Techniken zur Bestimmung der Häufigkeiten der in der Sternatmosphäre vorhandenen Elemente.

Gegenüber der konventionellen Kreuzkorrelation zur Bestimmung der RV-Verschiebungen, gilt die Methode des sogenannten 'spectral disentanglings' als überlegen. Daher bestand ein Großteil der vorliegenden Arbeit darin, eine solche Methode in einem weiterentwickelten Softwarepacket zu realisieren. Um sekundäre Effekte zu verstehen, welche zu weiteren Änderungen im Spektrum führen, also insbesondere solche wie Fluss- und Linienprofilvariationen, ist es von zentraler Bedeutung das Verhalten des spectral disentangling durch solche Variabilitäten zu verstehen, sodass die ermittelten Größen besser interpretiert und verbessert, sowie Informationen über die Variabilität selbst abgeleitet werden können. Daher vereint der in dieser Arbeit vorgestellte und der Allgemeinheit offen stehende Algorithmus für das spectral disentangling mehrere Vorteile: Separation der Spektren für detaillierte chemische Analysen, Ableitung der orbitalen Bahnelemente, Ableitung der einzelnen RV-Verschiebungen um auch gestörte Systeme (z.B. durch einen dritten Körper oder relativistische Effekte) analysieren zu können, die Reduktion des Einflusses tellurischer Kontamination, Ableitung der Variabilität und die Möglichkeit der Anwendung auf Bedeckungsveränderliche (wichtig zur Bestimmung der Inklination) bzw. allgemeiner auf Systeme mit Flussvariationen.

Der vorgestellte Algorithmus wurde zusammen mit MOOG und SME zur Erzeugung synthetischer Spektren verwendet um das Kohlenstoff-12C/13C Isotopen-Verhältnis (KIV) des Referenzsystems Capella zu bestimmen. Dieses Ergebnis aus Beobachtungen wird in Kontext zur theoretischen Entwicklung durch Verwendung von MESA Modellen gesetzt und löst die Unstimmigkeit zwischen Beobachtung und Theorie die bereits seit der ersten Messung des KIV von Kapella von 1976 existiert.

Der Algorithmus für das spectral disentangling ist der Allgemeinheit zugänglich gemacht und wurde auf vollkommen anders verhaltende Objekte, den Wolf-Rayet-Sternen, angewendet, was in einer publizierten Arbeit resultierte.

Da die Methode stark von der Qualität der Beobachtungsdaten abhängt, ist eine kontinuierliche Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Messtechnik der beobachtenden Astrophysik sehr wichtig um die bestmöglichsten Beobachtungsdaten gewinnen zu können. Daher wurden auch große Anstrengungen in der astronomischen Instrumentierung während dieser Arbeit unternommen.
KW  - Stellar physics
KW  - Stellar evolution
KW  - spectroscopy
KW  - instrumentation
KW  - carbon-isotope-ratio
KW  - Capella
KW  - Stellarphysik
KW  - Sternentwicklung
KW  - Spektroskopie
KW  - Instrumentierung
KW  - Kohlenstoff-Isotopen-Verhältnis
KW  - Kapella
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432396
ER  - 
TY  - THES
A1  - Shenar, Tomer
T1  - Comprehensive analyses of massive binaries and implications on stellar evolution
T1  - Umfassende Analysen massereicher Doppelsterne und Implikationen für die Sternentwicklung
N2  - Via their powerful radiation, stellar winds, and supernova explosions, massive stars (Mini & 8 M☉) bear a tremendous impact on galactic evolution. It became clear in recent decades that the majority of massive stars reside in binary systems. This thesis sets as a goal to quantify the impact of binarity (i.e., the presence of a companion star) on massive stars. For this purpose, massive binary systems in the Local Group, including OB-type binaries, high mass X-ray binaries (HMXBs), and Wolf-Rayet (WR) binaries, were investigated by means of spectral, orbital, and evolutionary analyses.

The spectral analyses were performed with the non-local thermodynamic equillibrium (non-LTE) Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) model atmosphere code. Thanks to critical updates in the calculation of the hydrostatic layers, the code became a state-of-the-art tool applicable for all types of hot massive stars (Chapter 2). The eclipsing OB-type triple system δ Ori served as an intriguing test-case for the new version of the PoWR code, and provided key insights regarding the formation of X-rays in massive stars (Chapter 3). We further analyzed two prototypical HMXBs, Vela X-1 and IGR J17544-2619, and obtained fundamental conclusions regarding the dichotomy of two basic classes of HMXBs (Chapter 4). We performed an exhaustive analysis of the binary R 145 in the Large Magellanic Cloud (LMC), which was claimed to host the most massive stars known. We were able to disentangle the spectrum of the system, and performed an orbital, polarimetric, and spectral analysis, as well as an analysis of the wind-wind collision region. The true masses of the binary components turned out to be significantly lower than suggested, impacting our understanding of the initial mass function and stellar evolution at low metallicity (Chapter 5). Finally, all known WR binaries in the Small Magellanic Cloud (SMC) were analyzed. Although it was theoretical predicted that virtually all WR stars in the SMC should be formed via mass-transfer in binaries, we find that binarity was not important for the formation of the known WR stars in the SMC, implying a strong discrepancy between theory and observations (Chapter 6).
N2  - Durch ihre intensive Strahlung, Sternwinde und Supernovaexplosionen tragen massereiche Sterne (Minitial & 8 M☉) erheblich zur Entwicklung von Galaxien bei. In den letzten Jahren wurde es immer klarer, dass sich die Mehrheit der massereichen Sterne in Doppelsternsystemen befindet. Die vorliegende Doktorarbeit hat das Ziel, den Einfluss dieser Tatsache auf die Entwicklung massereicher Sterne quantitativ zu untersuchen. Um dies zu erreichen, haben wir eine Analyse der Umläufe, Spektren und Entwicklung verschiedener Doppelsternsysteme in der lokalen Gruppe durchgeführt, die OB-Sterne, massereicher Röntgendoppelsterne (HMXBs) und Wolf-Rayet-(WR)-Doppelsterne einschließt.

Die Spektralanalyse wurde mithilfe des Potsdam-Wolf-Rayet-(PoWR)-Modellatmosphären-Programms für Strahlungstransport in Abwesenheit von lokalem thermodynamischen Gleichgewicht (non-LTE) durchgeführt. Das PoWR-Programm wurde im Laufe der Arbeit aktualisiert, sodass die Berechnung der hydrostatischen Schichten des Sternes nun wesentlich genauer erfolgt, was die Verwendung dieses Programms für alle Typen heißer massereicher Sterne erlaubte (Kapitel 2). Das bedeckungsveränderliche Dreifachsternsystem δ Ori diente als Test für diese neue Version von PoWR, und lieferte wesentliche Informationen bezüglich der Entstehung von Röntgenstrahlung in massereichen Sternen (Kapitel 3). Die Analyse zweier prototypischer massereicher Röntgendoppelsterne, Vela X-1 und IGR J17544-2619, machte den Ursprung der Dichotomie der zwei Hauptklassen der Röntgendoppelsterne deutlich (Kapitel 4). Eine umfassende Analyse des Doppelsterns R145 in der Großen Magellanschen Wolke (LMC), der angeblich aus den massereichsten uns bekannten Sternen besteht, wurde durchgeführt. Mithilfe einer Dekomposition des Spektrums, einer Orbital- und Spektralanalyse, sowie einer Analyse der Kollision von Sternwinden in diesem System konnten wir zeigen, dass die Massen der Komponenten wesentlich kleiner sind als bisher angenommen. Dies ist ein wichtiger Beitrag zu unserem Verständnis der Anfangsmassenfunktion und der Entwicklung massereicher Sterne in Umgebungen geringer Metalizität (Kapitel 5). Schließlich wurde die Gesamtpopulation der WR-Doppelsterne in der Kleinen Magellanschen Wolke (SMC) analysiert. Im Widerspruch zur theoretischen Vorhersage, alle WR-Doppelsterne in der SMC seien dank Massentransfer in Doppelsternsystemen entstanden, finden wir, dass Massentransfer unerheblich für die Entstehung der uns bekannten WR-Sterne in der SMC war (Kapitel 6).
KW  - massive stars
KW  - Wolf-Rayet
KW  - stellar evolution
KW  - stellar winds
KW  - binary stars
KW  - massereiche Sterne
KW  - Wolf-Rayet
KW  - Sternentwicklung
KW  - Sternwinde
KW  - Doppelsterne
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104857
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liermann, Adriane
T1  - Massive stars in the Galactic Center Quintuplet cluster
T1  - Massereiche Sterne im Galaktischen Zentrum - der Quintuplet-Sternhaufen
N2  - The presented thesis describes the observations of the Galactic center Quintuplet cluster, the spectral analysis of the cluster Wolf-Rayet stars of the nitrogen sequence to determine their fundamental stellar parameters, and discusses the obtained results in a general context. The Quintuplet cluster was discovered in one of the first infrared surveys of the Galactic center region (Okuda et al. 1987, 1989) and was observed for this project with the ESO-VLT near-infrared integral field instrument SINFONI-SPIFFI. The subsequent data reduction was performed in parts with a self-written pipeline to obtain flux-calibrated spectra of all objects detected in the imaged field of view. First results of the observation were compiled and published in a spectral catalog of 160 flux-calibrated $K$-band spectra in the range of 1.95 to 2.45\,$\mu$m, containing 85 early-type (OB) stars, 62 late-type (KM) stars, and 13 Wolf-Rayet stars. About 100 of these stars are cataloged for the first time. The main part of the thesis project was concentrated on the analysis of the WR stars of the nitrogen sequence and one further identified emission line star (Of/WN) with tailored Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) models for expanding atmospheres (Hamann et al. 1995) that are applied to derive the stellar parameters of these stars. For this purpose, the atomic input data of the PoWR models had to be extended by further line transitions in the near-infrared spectral range to enable adaequate model spectra to be calculated. These models were then fitted to the observed spectra, revealing typical paramters for this class of stars. A significant amount of hydrogen of up to $X_\text{H} \sim 0.2$ by mass fraction is still present in their stellar atmospheres. The stars are also found to be very luminous ($\log{(L/L_\odot)} > 6.0$) and show mass-loss rates and wind characteristics typical for radiation-driven winds. By comparison with stellar evolutionary models (Meynet \& Maeder 2003a; Langer et al. 1994), the initial masses were estimated and indicate that the Quintuplet WN stars are descendants from the most massive O stars with $M_\text{init} > 60 M_\odot$ and their ages correspond to a cluster age of 3-5\,million years. The analysis of the individual WN stars revealed an average extinction of $A_K =3.1 \pm 0.5$\,mag ($A_V = 27 \pm 4$) towards the Quintuplet cluster. This extinction was applied to derive the stellar luminosities of the remaining early-type and late-type stars in the catalog and a Hertzsprung-Russell diagram could be compiled. Surprisingly, two stellar populations are found, a group of main sequence OB stars and a group of evolved late-type stars, i.e. red supergiants (RSG). The main sequence stars indicate a cluster age of 4 million years, which would be too young for red supergiants to be already present. A star formation event lasting for a few million years might possibly explain the Quintuplet's population and the cluster would still be considered coeval. However, the unexpected and simultaneous presence of red supergiants and Wolf-Rayet stars in the cluster points out that the details of star formation and cluster evolution are not yet well understood for the Quintuplet cluster.
N2  - Die vorgelegte Arbeit befasst sich mit der Spektralanalyse der massereichen Sterne, speziell der Wolf-Rayet Sterne der Stickstoffsequenz, des Quintuplet-Sternhaufens im Galaktischen Zentrum, welches durch Staubwolken vor visuellen Beobachtungen verborgen ist. Der Sternhaufen wurde in einer der ersten Infrarot-Durchmusterungen entdeckt (Okuda et al. 1987, 1989) und f\"ur dieses Projekt mit dem Gro\ssteleskop ESO-VLT und dem Infrarotinstrument SINFONI-SPIFFI beobachtet. Die Daten wurden aufbereitet und die flusskalibrierten Spektren in einem Katalog ver\"offentlicht. Darin enthalten sind 85 Sterne fr\"uhen Spektraltyps (O- und B-Sterne), 62 Sterne sp\"aten Spektraltyps (K- und M-Sterne), sowie 13 Wolf-Rayet Sterne. Etwa 100 Sterne sind zum ersten mal detektiert und katalogisiert worden. Die flusskalibrierten Spektren der Wolf-Rayet Sterne der Stickstoffsequenz (WN) wurden mit den Potsdam Wolf-Rayet Modellen f\"ur expandierende Sternatmosph\"aren (Hamann et al. 1995) untersucht, wozu zun\"achst Atomdaten der Modelle f\"ur den Infrarotbereich erg\"anzt werden mussten. Verschiedene Modellspektren und -energieverteilungen wurden mit den Beobachtungen verglichen, um die Sternparameter Temperatur, Radius, Leuchtkraft und die Charakteristik des Sternwinds Geschwindigkeit, chemische Zusammensetzung und Massenverlustrate zu bestimmen. Der ermittelte hohe Wasserstoffgehalt der Winde der WN-Sterne zeigt, dass sie Abk\"ommlinge von massereichen O-Sternen sind, die die Hauptreihe verlassen haben. Desweiteren sind die Sterne sehr leuchtkr\"aftig ($\log(L/L_\odot) > 6$) und zeigen Massenverlustraten, die typisch sind f\"ur strahlungsgetriebenen Sternwinde. Im Vergleich mit Sternentwicklungsmodellen (Meynet \& Maeder 2003a; Langer et al. 1994) ergeben sich Anfangsmassen von $M_\text{init}>60\,M_\odot$, sowie ungef\"ahre Sternalter von 3-5 Millionen Jahren f\"ur die WN-Sterne, was dem angenommenen Altern des Quintuplet-Haufens entspricht. Durch die Analyse der spektralen Energieverteilungen der einzelnen WN-Sterne konnte eine mittlere interstellare Extinktion von $A_K =3.1 \pm 0.5$\,mag ($A_V = 27 \pm 4$\,mag) in der Richtung des Quintuplet-Haufens ermittelt und f\"ur die Bestimmung der Leuchtkr\"afte der verbleibenden Sterne des Katalog verwendet werden. Die anschlie\ss ende vorl\"aufige Analyse ergab eine Dichotomie der Sternpopulation von fr\"uhen und sp\"aten Sternen im Hertzsprung-Russell-Diagramm. W\"ahrend die OB-Sterne entsprechend der Entwicklungstheorie auf der Hauptreihe des Haufens liegen, befinden sich die KM-Sterne im entwickelten Stadium der Roten Riesen, welches f\"ur Sterne diesen Typs fr\"uhestens nach 7 Millionen Jahren erwartet wird. Somit steht die zeitgleiche Entstehung aller Sterne des Sternhaufens in Frage. Sie wird im Rahmen von Haufenzugeh\"origkeit und einer Phase ausgedehnter Sternentstehung diskutiert. Es bleibt anzuerkennen, dass die Sternentstehung und -entwicklung auch im speziellen Fall des Quintuplet-Haufens noch nicht hinreichend gut verstanden sind.
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Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-37223
ER  -