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Spectroscopic analysis of the benchmark system Alpha Aurigae

Spektroskopische Analysen des Vergleichssystems alpha Aurigae

  • 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 codeBinaries 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.show moreshow less
  • 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 durchDoppelsterne 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Daniel SablowskiGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432396
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-43239
Referee:Klaus G. StrassmeierORCiDGND, Axel SchwopeORCiD, Ulrich HeberORCiDGND
Advisor:Klaus G. Strassmeier, Axel Schwope, Michael Weber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/07/11
Release Date:2019/08/12
Tag:Instrumentierung; Kapella; Kohlenstoff-Isotopen-Verhältnis; Spektroskopie; Stellarphysik; Sternentwicklung
Capella; Stellar evolution; Stellar physics; carbon-isotope-ratio; instrumentation; spectroscopy
Pagenumber:169
RVK - Regensburg Classification:US 4040, US 1500
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
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