Blue Supergiants as Probes of Stellar and Galactic Evolution in the Local Group

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Przybilla
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 36534647

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Massereiche Sterne von ca. 8 bis 30 Sonnenmassen entwickeln sich in spateren Stadien ihres Lebens zu Überriesen der Spektraltypen B und A (BA-Überriesen). Sie gehören dann zu den hellsten Sternen in Galaxien, die in ihrer visuellen Leuchtkraft vergleichbar mit der ganzer Kugelsternhaufen oder kleiner Galaxien sein können. Sie ermöglichen quantitative Spektroskopie einzelner Sterne über große Distanzen, bis hin zu Galaxien jenseits der Lokalen Gruppe. Daher bilden sie einen Fokus der extragalaktischen Stellarastronomie. Obschon dieser Bedeutung für die Extragalaktik, waren BA-Überriesen in der Milchstraße bisher nur selten Gegenstand näherer Unteruchungen. Dies ist ihrer relativ komplexen Atmosphärenphysik geschuldet, die signifikante Abweichungen vom Zustand des lokalen thermodynamischen Gleichgewichts aufweist (sog. NLTE-Effekte). In diesem Projekt wurde die bisher größte Stichprobe von BA-Überriesen in der Milchstraße umfassend untersucht, insgesamt 35 Objekte. Es wurde exzellentes Beobachtungsmaterial im optischen bis nah-infraroten Spektralbereich gewonnen, sowie Archivdaten zur Photometrie als auch zur satellitengestützten Spektrophotometrie. Es wurden umfangreiche Modellgitter von NLTE-Spektren gerechnet, die mittels innovativer Techniken zur selbstkonsistenten Analyse der Beobachtungen genutzt wurden. Für alle Programmsterne wurden Atmosphärenparameter und fundamentale Sternparameter bestimmt, Distanzen und interstellare Rotung und Extinktion, als auch Häufigkeiten wichtiger chemischer Elemente: Helium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Magnesium, Schwefel, Titan und Eisen. Die Resultate zeichnen sich durch bisher unerreichte Genauigkeit sowohl in Hinblick auf statistische als auch systematische Unsicherheiten aus. Es zeigt sich, dass die in der Referenz-Literatur aufgeführten funktionale Relationen veraltet sind, wie z.B. zu Spektraltyp oder Farbe vs. Effektivtemperatur, als auch photometrische Temperaturskalen. Neukalibrationen werden vorgestellt. Die beobachteten Fundamentalparameter (Masse, Radius, Leuchtkraft) und Häufigkeiten der leichten Elemente Helium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff wurden zur Überprufung der Vorhersagen von Sternentwicklungsmodellen genutzt. Zum ersten Mal konnte der (modellunabhängige) nukleare Pfad der charakteristischen Anreicherung von Stickstoff und Abreicherung von Kohlenstoff (und Sauerstoff) aufgrund von rotationsinduzierter Durchmischung der atmosphärischen Schichten mit prozessierter Materie aus dem CNO-Zyklus im Kern quantitativ bestätigt werden. Es wurden Hinweise darauf gefunden, dass ein Teil der Programmsterne bereits während einer vorherigen Phase als Roter Überriese zusätzlich konvektiv durchmischt wurde. Ausserdem wurde eine enge Korrelation der Mikroturbulenzgeschwindigkeit mit der stellaren Leuchtkraft gefunden, die Vorhersagen aus hydrodynamischen Modellrechnungen zu subatmosphärischen Konvektionszonen in massereichen Sternen quantitativ bestätigt. Im weiteren wurde die räumliche Verteilung der Programmsterne in der Milchstraße bestimmt und radiale Häufigkeitsgradienten in der galaktischen Ebene für Elemente aus dem α-Prozess und aus der Eisengruppe. Sehr enge Trends wurden gefunden, mit sehr kleiner Streuung über einen weiten Bereich von galaktozentrischen Distanzen. Die Elementhäufigkeiten sind systematisch hoher, die Gradienten sehr flach gegenüber den meisten früheren Studien. Die Elementhäufigkeiten der BA-Überriesen stimmen hingegen mit Daten aus den neuesten Untersuchungen von frühen B-Sternen in der Sonnenumgebung überein, ihren Vorläufersternen auf der Hauptreihe.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2008. LMC origin of the hyper-velocity star HE 0437−5439. Beyond the supermassive black hole paradigm. Astronomy & Astrophysics 480, L37–L40
  Przybilla, N., Nieva, M.F., Heber, U., Firnstein, M., Butler, K., Napiwotzki, R., Edelmann H.
  
• 2008. Massive Stars as Tracers of Stellar and Galactochemical Evolution. In: Roser S. (ed.), Reviews in Modern Astronomy 20, 329–362
  Przybilla, N.
  
• 2010. Mixing of CNO-cycled matter in massive stars. Astronomy & Astrophysics 517, A38 (6 Seiten)
  Przybilla, N., Firnstein, M., Nieva, M.F., Meynet, G., & Maeder, A.
  
• 2010. Tepid Supergiants: Chemical Signatures of Stellar Evolution & The Extent of Blue Loops. In: Leitherer C., Bennett P.D., Morris P.W., van Loon J.T. (eds)., “Hot And Cool: Bridging Gaps in Massive Star Evolution” (ASP, San Francisco), 134–139
  Przybilla, N., Firnstein, M., & Nieva, M.F.
  
• 2011. Mixing of CNO-cycled matter in massive stars. Bulletin de la Societe Royale des Sciences de Liege 80, 279–284
  Przybilla, N., Firnstein, M., Nieva, M.F., Meynet, G., & Maeder, A.
  
• 2012. Quantitative Spectroscopy of Galactic BA-type Supergiants. I. Atmospheric Parameters. Astronomy & Astrophysics 543, A80 (17 Seiten)
  Firnstein, M. & Przybilla, N.