Origin of runaway OB stars

Ursprung von Runaway OB Sternen

  • Runaway stars of spectral type O and B are massive and thus young stars that, surprisingly, are currently leaving or already have left the star-forming regions of the Milky Way, i.e., the spiral arms inside the Galactic disk. They are therefore supposed to be the result of an ejection event that forced them to run away from their original place of birth. Possible ejection scenarios encompass dynamical interactions in dense star clusters, such as close binary-binary encounters, or a supernova explosion disrupting a binary system. Unraveling the origin of runaway OB stars can bring new insights into several distinct fields of astronomy. For example, they can tell us something about the structuRunaway stars of spectral type O and B are massive and thus young stars that, surprisingly, are currently leaving or already have left the star-forming regions of the Milky Way, i.e., the spiral arms inside the Galactic disk. They are therefore supposed to be the result of an ejection event that forced them to run away from their original place of birth. Possible ejection scenarios encompass dynamical interactions in dense star clusters, such as close binary-binary encounters, or a supernova explosion disrupting a binary system. Unraveling the origin of runaway OB stars can bring new insights into several distinct fields of astronomy. For example, they can tell us something about the structure and gravitational potential of the Milky Way and its dark matter halo, about star formation and stellar (binary) evolution, and about stellar nucleosynthesis in supernova explosions. In particular, runaway stars could provide the first observational evidence that the rapid neutron capture process is taking place during core-collapse supernovae. In this thesis, a combined spectroscopic and kinematic analysis of 18 runaway OB stars is presented to reveal some clues about their past. The core of our kinematic investigation is the computation of stellar trajectories in the gravitational potential of the Milky Way. The latter is typically inferred from modeling the observed mass distribution inside the Galaxy. Realistic, yet simple and fully analytical mass models have already been presented in the past. However, improved as well as new observational constraints have become available in the meantime calling for a recalibration of the respective model parameters. Therefore, three widely used model potentials are revisited in this work to match the most recent observations. The mass of the dark matter halo is - within the limitations of the applied models - estimated in a fully consistent way. As a first application, the trajectory of the extreme runaway star HE0437-5439 is re-investigated to check its suggested origin in the Large Magellanic Cloud. For the spectroscopic investigation, a novel analysis strategy is presented here. It is more objective and considerably faster than traditional methods and is also applicable to composite spectra of double-lined spectroscopic binary systems. By applying it to a sample of 63 nearby reference stars, the new approach is thoroughly tested and the following results are obtained: (i) It is shown that the use of different Balmer line Stark broadening theories for the spectroscopic analysis introduces a non-negligible source of systematic uncertainty to the parameter determination in massive stars. (ii) For differential analyses, the new strategy passes the ambitious benchmark test provided by the cosmic abundance standard (CAS). In contrast, the determination of highly precise absolute abundances needs some revision, particularly in the case of late B-type stars. However, the latter were not considered in the CAS study at all. Using abundances relative to the reference stars, it is possible to identify abundance anomalies in other stars (like runaway stars) with unprecedented accuracy. (iii) The high degree of chemical homogeneity of nearby massive stars, which was found in a previous study, is confirmed and extended to three additional chemical species. (iv) The observed signature of hydrogen burning via the CNO bi-cycle, which is detected in 16 of the reference stars, is successfully checked against theoretical predictions. (v) Unprecedented observational support is provided for the assumption that the photospheric microturbulent motion in massive stars is linked to a sub-photospheric convective motion. Finally, the revised Milky Way mass models and the new spectroscopic analysis strategy are employed to investigate the origin of 18 runaway OB stars. Abundances relative to the reference stars are determined in order to detect chemical peculiarities. The abundance analysis reveals: (i) While the abundance patterns of nine objects are normal, peculiar chemical compositions emerge for four runaway stars, which, however, rather hint at atmospheric diffusion processes than being related to a specific ejection mechanism. (ii) More or less clear indications for the capture of supernova ejecta are found for the remaining five targets. They are therefore good candidates for the supernova ejection scenario. (iii) Object PG1315-077 turns out to be a runaway binary system with normal chemical composition. Stellar trajectories are traced back to the Galactic plane to deduce a runaway star's possible birthplace in the Galactic disk, its ejection velocity, or its time of flight. Among others, the following results are obtained: (i) All stars are consistent with the runaway scenario except for HD22586, whose flight time is in excess of its evolutionary age. (ii) The stars HD271791 and HIP60350 are possibly gravitationally unbound to the Milky Way. (iii) The ejection velocity of the runaway binary system PG1315-077 is quite large. It could be the result of the tidal disruption of a hierarchical triplet system by the supermassive black hole at the Galactic center. This thesis provides the basis for several existing and future projects. For instance, the Milky Way mass models can be further improved to account for the upcoming highly precise astrometric data by the Gaia satellite. In addition, the development of the novel strategy for the spectroscopic investigation makes it possible to homogeneously analyze spectra of a large number of massive (runaway) stars in a short time. Since massive binary systems are currently a hot topic in the community, the application to composite spectra is certainly one of the most promising aspects to mention here.show moreshow less
  • Runaway-Sterne des Spektraltyps O und B sind massereiche und demzufolge junge Sterne, die sich überraschenderweise von den Sternentstehungsgebieten der Milchstraße, wie zum Beispiel deren Spiralarme, wegbewegen oder bereits wegbewegt haben. Es wird daher vermutet, dass diese Sterne aus ihrer Geburtsumgebung herausgeschleudert worden sind. Mögliche Auswurfszenarien sind dynamische Wechselwirkungen in dicht gepackten Sternhaufen, beispielsweise der sehr nahe Vorbeiflug zweier Doppelsternsysteme, oder eine Supernovaexplosion, die ein Doppelsternsystem zerreißt. Erkenntnisse über den Ursprung von Runaway-Sternen des Spektraltyps O und B können für mehrere, ansonsten eigenständige ForschungsbereiRunaway-Sterne des Spektraltyps O und B sind massereiche und demzufolge junge Sterne, die sich überraschenderweise von den Sternentstehungsgebieten der Milchstraße, wie zum Beispiel deren Spiralarme, wegbewegen oder bereits wegbewegt haben. Es wird daher vermutet, dass diese Sterne aus ihrer Geburtsumgebung herausgeschleudert worden sind. Mögliche Auswurfszenarien sind dynamische Wechselwirkungen in dicht gepackten Sternhaufen, beispielsweise der sehr nahe Vorbeiflug zweier Doppelsternsysteme, oder eine Supernovaexplosion, die ein Doppelsternsystem zerreißt. Erkenntnisse über den Ursprung von Runaway-Sternen des Spektraltyps O und B können für mehrere, ansonsten eigenständige Forschungsbereiche der Astronomie von großer Bedeutung sein. So könnten diese Sterne etwa Informationen liefern über das Gravitationspotential der Milchstraße und ihres Halos aus dunkler Materie, über Sternentstehung und (Doppel-)Sterentwicklung als auch über stellare Nukleosynthese während Supernovaexplosionen. Insbesondere könnten die Runaway-Sterne den ersten empirischen Nachweis dafür liefern, dass der Prozess des schnellen Neutroneneinfangs in Kernkollaps-Supernovaexplosionen stattfindet. In dieser Arbeit werden 18 Runaway-Sterne des Spektraltyps O und B sowohl spektroskopisch als auch kinematisch untersucht um daraus Schlussfolgerungen über ihre Herkunft zu ziehen. Das Herzstück unserer kinematischen Untersuchung ist die Berechnung von Sterntrajektorien im Gravitationspotential der Milchstraße. Letzteres wird typischerweise anhand von Modellen abgeleitet, welche die beobachtete Massenverteilung innerhalb der Galaxis beschreiben. Realistische, aber dennoch einfache und vollkommen analytische Massenmodelle sind bereits in der Vergangenheit präsentiert worden. In der Zwischenzeit sind jedoch verbesserte Beobachtungsdaten verfügbar geworden, die zur Kalibrierung der Modelle genutzt werden können. Um diesen neuen Beobachtungen Rechnung zu tragen, werden in dieser Arbeit drei weit verbreitete Modellpotentiale überarbeitet. Die Masse des Halos aus dunkler Materie wird hierbei - innerhalb der Beschränkungen der angewendeten Modelle - auf vollkommen konsistente Weise abgeschätzt. Als erste Anwendung wird überprüft, ob die Große Magellansche Wolke wirklich als Ursprungsort für den extremen Runaway-Stern HE0437-5439 in Frage kommt. Grundlage für die spektroskopische Untersuchung ist eine neuartige, eigens entwickelte Strategie. Sie ist objektiver und erheblich effizienter als traditionelle Methoden und ist insbesondere auch auf Spektren von doppellinigen spektroskopischen Doppelsternen anwendbar. Mithilfe von 63 Referenzsternen aus der näheren Sonnenumgebung wird der neue Ansatz anschließend ausgiebig getestet, wobei folgende Ergebnisse erzielt werden: (i) Die vermutlich größte systematische Unsicherheit bei der Parameterbestimmung massereicher Sterne liegt in der Beschreibung der Verbreiterung der Balmerlinien durch den Stark-Effekt. Zwei konkurrierende atomphysikalische Verbreiterungstheorien werden hierzu verglichen und die daraus resultierenden systematischen Unterschiede werden quantifiziert. (ii) Den hoch gesteckten Vergleichstest, der durch den kosmischen Häufigkeitsstandard (CAS) gesetzt wird, besteht die neue Strategie für differentielle Analysen. Für absolute Elementhäufigkeiten besteht noch Verbesserungsbedarf, insbesondere für späte B-Sterne. Letztere wurden allerdings beim CAS noch nicht berücksichtigt. Die Referenzsterne eignen sich ausgezeichnet, um bei (Runaway-)Sternen Häufigkeitsanomalien mit bisher unerreichter Genauigkeit differentiell nachzuweisen. (iii) Die hohe chemische Homogenität von massereichen Sternen in der näheren Sonnenumgebung wird hier bestätigt und zusätzlich für drei chemische Elemente erstmals nachgewiesen. (iv) In 16 Referenzsternen findet sich bereits die charakteristische Signatur des Wasserstoffbrennens mittels des CNO-Doppelzykluses. Vergleiche mit Vorhersagen der Sternentwicklungstheorie sind erfolgreich und untermauern somit gängige Sternentwicklungsmodelle. (v) Diese Arbeit liefert einen in dieser Form noch nie erbrachten empirischen Befund dafür, dass mikroskopische Turbulenzen innerhalb der Photosphäre von massereichen Sternen von einer Konvektionszone unterhalb der Photosphäre verursacht werden. Zu guter Letzt werden die überarbeiteten Massenmodelle der Milchstraße und die neue spektroskopische Analysestrategie dazu verwendet, Nachforschungen über den Ursprung von 18 Runaway-Sternen des Spektraltyps O und B anzustellen. Um chemische Besonderheiten aufzudecken, werden die Häufigkeiten relativ zu denen der Referenzsterne bestimmt. Die chemische Analyse ergibt: (i) Während die Häufigkeitsmuster von neun Objekten normal sind, treten bei vier Runaway-Sternen Anomalien in der chemischen Zusammensetzung auf die möglicherweise auf atmosphärische Diffusionsprozesse hinweisen, also nicht mit dem Ejektionsmechanismus in Zusammenhang stehen. (ii) Mehr oder weniger deutliche Hinweise dafür, dass von einer Supernova ausgestoßenes Material auf der Sternoberfläche angesammelt wurde, finden sich in fünf Objekten. Diese könnten also durch den Doppelstern-Supernova Mechanismus ausgeworfen worden sein. (iii) Der Stern PG1315-077 entpuppt sich als Doppelsternsystem, in dem beide Komponenten normale chemische Häufigkeiten aufweisen. Um Informationen über den möglichen Geburtsort innerhalb der galaktischen Scheibe, über die Auswurfgeschwindigkeit oder über die Flugzeit zu erhalten, werden die Trajektorien der Runaway-Sterne zurück zur galaktischen Scheibe gerechnet. Es ergibt sich unter anderem: (i) Das Runaway-Szenario kann für alle Sterne bestätigt werden mit Ausnahme von Stern HD22586, dessen Flugzeit sein Entwicklungsalter übersteigt. (ii) Die Sterne HD271791 und HIP60350 sind möglicherweise nicht an die Milchstraße gebunden und würden in den intergalaktischen Raum entweichen. (iii) Im Rahmen des Runaway Szenarios benötigt das oben erwähnte Doppelsternsystem PG1315-077 eine sehr hohe Ejektionsgeschwindigkeit. Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis könnte durch seine Gezeitenkräfte ein hierarchisches Dreifachsternsystem zerrissen und das Doppelsternsystem somit ausgeworfen haben. Ausgehend von dieser Arbeit können in Zukunft einige neue Projekte angegangen beziehungsweise bestehende fortgeführt werden. So lassen sich bespielsweise die Massenmodelle der Milchstraße noch deutlich realistischer gestalten um die künftigen hoch genauen astrometrischen Messungen des Gaia Satelliten interpretieren zu können. Des Weiteren eröffnet die Entwicklung der neuen spektroskopischen Analysestrategie die Möglichkeit, die Spektren einer großen Anzahl von massereichen (Runaway-)Sternen in kurzer Zeit und auf homogene Weise zu untersuchen. In jüngster Zeit mehren sich die Anzeichen, dass es unter O- und B-Sternen weit mehr Doppelsterne gibt als bisher angenommen. Daher wird die Anwendung der neuen Methode auf überlagerte Spektren besonders in den Fokus rücken.show moreshow less

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Metadaten
Author:Andreas Irrgang
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-50745
Advisor:Ulrich Heber, Norbert Przybilla
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2014/08/06
Release Date:2014/08/29
Tag:Runaway stars
SWD-Keyword:Astronomy; Astrophysics
Pagenumber:1 - 230
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Physik
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Astronomie / Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
PACS-Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 97.00.00 Stars (for relativistic stars, see 04.40.Dg in general relativity and gravitation)
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-NichtKommerziell-KeineBearbeitung

$Rev: 13581 $