Dusty massive stars in the local group

Abstract

The role of episodic mass loss in massive star evolution is one of the most important open questions of current stellar evolution theory. Episodic mass loss produces dust and therefore causes evolved massive stars to be very luminous in the mid-infrared and dim at optical wavelengths. Star forming dwarf irregular (dIrr) galaxies serve as ideal laboratories for investigating the evolution and mass loss phenomenon of red supergiants (RSGs), supergiants B[e] (sgB[e]), and luminous blue variables (LBVs) within the context of different metallicities of host galaxies. Also, RSGs may be used for abundance determinations in dIrrs. The extremely low number of spectroscopically confirmed RSGs and other types of dusty massive stars mentioned before, in external galaxies makes the identification of new stars of these types statistically significant. Increasing the statistics of spectroscopically confirmed evolved massive stars in the Local Group enables the investigation of the mass loss phenomena that occur in these stars in the late stages of their evolution.We aim to complete the census of luminous mid-IR sources in star-forming dwarf irregular galaxies of the Local Group. To achieve this we employed mid-IR photometric selection criteria to identify evolved massive stars, such as RSGs and luminous blue variables (LBVs), by using the fact that these types of stars have infrared excess due to dust. The method is based on 3.6 μm and 4.5 μm photometry from archival Spitzer Space Telescope images of nearby galaxies and J-band photometry from 2MASS. We applied our criteria to 7 dIrr galaxies: Pegasus, Phoenix, Sextans A, Sextans B, WLM, IC 10 and IC 1613 selecting 124 point sources, which we observed with the VLT/FORS2, GTC/OSIRIS and duPont/WFCCD spectrographs in multi-object and long-slit spectroscopy modes.We identified 28 RSGs, of which 21 are new discoveries, also 2 new emission line stars, and 8 carbon stars. Among the other observed objects we identified foreground giants, and background objects, such as a quasar and an early-type galaxy that contaminate our survey. We use the results of our spectroscopic survey to revise the mid-IR and optical selection criteria for identifying RSGs from photometric measurements. The optical selection criteria are more efficient in separating extragalactic RSGs from foreground giants than mid-IR selection criteria, however the mid-IR selection criteria are useful for identifying dusty stars in the Local Group. For some of the newly identified RSGs we measured the fundamental physical parameters by fitting their observational spectral energy distributions with MARCS stellar atmosphere models. This work serves as a basis for further investigation of the newly discovered dusty massive stars and their host galaxies.This PhD thesis is organized as follows: Chapter 1 provides the scientific context of the present study. In Chapter 2 the procedure for selecting sources is presented. Descriptions of the observations and data reduction are presented in Chapter 3. Chapter 4 is devoted to the spectral analysis and the spectral type classification of the obtained spectra. Chapter 5 is devoted to presenting and discussing the results. Conclusions and future perspectives of the PhD thesis work are presented in Chapter 6. In Chapter 7 the acknowledgments and list of supporting materials (published papers, information about allocated telescope time, etc.) are presented.

Ο ρόλος της επεισοδιακής απώλειας μάζας στην εξέλιξη αστέρων μεγάλης μάζας, που αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά ανοικτά ζητήματα στην τρέχουσα θεωρία της αστρικής εξέλιξης. Η επεισοδιακή απώλεια μάζας παράγει σκόνη και, ως εκ τούτου είναι αιτία τα εξελιγμένα αστέρια μεγάλης μάζας να είναι πολύ φωτεινά στα μέσα του υπέρυθρου και αμυδρά στα οπτικά μήκη κύματος. Η τοπική ομάδα, που περιέχει τόσο ακανονίστους νάνους (dwarf irregular, dIrr) γαλαξίες και μεγάλους σπειροειδείς, χρησιμεύει ως ένα ιδανικό εργαστήριο για τη διερεύνηση της εξέλιξης και της απώλειας μάζας του φαινομένου των ερυθρών υπεργιγάντων (red supergiants, RSGs) σε διαφορετικές μεταλλικότητες. Επίσης, οι ερυθροί υπεργίγαντες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό μεταλλικότητας. Ο εξαιρετικά μικρός αριθμός φασματοσκοπικά επιβεβαιωμένων ερυθρών υπεργιγάντων σε εξωτερικούς γαλαξίες καθιστά τον εντοπισμό νέων ερυθρών υπεργιγάντων στατιστικά σημαντικό. Η αύξηση των στατιστικών στοιχείων των φασματοσκοπικά επιβεβαιωμένων, εξελιγμένων αστέρων μεγάλης μάζας στην τοπική ομάδα επιτρέπει τη διερεύνηση των φαινομένων απώλειας μάζας που συμβαίνουν σε αυτά τα αστέρια στα τελευταία στάδια της εξέλιξής τους. Στόχος μας είναι να ολοκληρωθεί η απογραφή των φωτεινών πηγών στο υπέρυθρο που βρίσκονται σε ακανόνιστους νάνους γαλαξίες της τοπικής ομάδας. Για να το πετύχουμε αυτό χρησιμοποιήσαμε φωτομετρικά κριτήρια στο μέσο υπέρυθρο για τον εντοπισμό εξελιγμένων αστέρων μεγάλης μάζας, όπως ερυθρούς υπεργίγαντες και φωτεινούς μπλε μεταβλητούς (LBVs), χρησιμοποιώντας το γεγονός ότι αυτοί οι τύποι των άστρων έχουν πλεόνασμα στο υπέρυθρο λόγω της σκόνης. Η μέθοδος βασίζεται σε φωτομετρία στα 3,6 μm και 4,5 μm από αρχειακές εικόνες του διαστημικού τηλεσκοπίου Spitzer των κοντινών γαλαξιών και φωτομετρία στο J από το 2MASS. Εφαρμόσαμε τα κριτήρια μας σε 7 dIrr γαλαξίες: Pegasus, Phoenix, Sextans Α, Sextans Β, WLM, IC 10 και IC 1613 επιλέγοντας 104 σημειακές πηγές, που παρατηρήσαμε με τους φασματογράφους VLT / FORS2, GTC / OSIRIS και DuPont / WFCCD με φασματοσκοπία πολλαπλών αντικειμένων μακράς σχισμής.Εντοπίσαμε 28 ερυθρούς υπεργίγαντες, εκ των οποίων οι 21 είναι νέες ανακαλύψεις, αυξάνοντας έτσι το δείγμα των φασματοσκοπικά επιβεβαιωμένων ερυθρών υπεργιγάντων σε dIrr γαλαξίες στην τοπική ομάδα κατά 47%. Επίσης, εντοπίστηκαν 2 νέα, σπάνια αστέρια μεγάλης μάζας με γραμμές εκπομπής και 8 αστέρια άνθρακα. Μεταξύ των άλλων παρατηρούμενων αντικειμένων που εντοπίστηκαν στο προσκήνιο είναι οι γίγαντες, και αντικείμενα του υπόβαθρου, όπως ένα κβάζαρ και ένας γαλαξίας πρώιμου τύπου. Χρησιμοποιούμε τα αποτελέσματα της φασματοσκοπικής έρευνας μας για την αναθεώρηση των υπέρυθρων και οπτικών κριτηρίων επιλογής για τον εντοπισμό ερυθρών υπεργιγάντων από τις φωτομετρικές μετρήσεις. Τα κριτήρια επιλογής στο οπτικό είναι πιο αποτελεσματικά στο διαχωρισμό εξωγαλαξιακών ερυθρών υπεργιγάντων από γίγαντες στο προσκήνιο από τα κριτήρια επιλογής στο υπέρυθρο, ωστόσο τα κριτήρια επιλογής στο υπέρυθρο είναι χρήσιμα για τον εντοπισμό σκονισμένων αστέρων στην τοπική ομάδα. Για ορισμένους ερυθρούς υπεργίγαντες μετρήσαμε τις θεμελιώδεις φυσικές παραμέτρους, προσαρμόζοντας στην φασματική κατανομή της ενέργειας στην οπτική περιοχή, MARCS μοντέλα αστρικής ατμόσφαιρας. Το έργο αυτό χρησιμεύει ως βάση για περαιτέρω διερεύνηση των σκονισμένων αστέρων μεγάλης μάζας που ανακαλύφθηκαν και των γαλαξιών που τους φιλοξενούν.Η διδακτορική διατριβή είναι οργανωμένη ως εξής: το Κεφάλαιο 1 παρέχει το επιστημονικό πλαίσιο της παρούσας μελέτης. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η διαδικασία επιλογής των πηγών, ενώ στο Κεφάλαιο 3 γίνεται η περιγραφή των παρατηρήσεων και μείωση των δεδομένων. Το Κεφάλαιο 4 είναι αφιερωμένο στην φασματική ανάλυση και την ταξινόμηση των φασμάτων. Το Κεφάλαιο 5 είναι αφιερωμένο στην παρουσίαση και συζήτηση των αποτελεσμάτων. Τα συμπεράσματα και οι μελλοντικές προοπτικές της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 6. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται οι ευχαριστίες και υποστηρικτικό υλικό (δημοσιευμένες εργασίες, πληροφορίες σχετικά με την κατανομή του χρόνου στα τηλεσκόπια, κ.λπ.).