Merging high resolution spectroscopy with accurate photometry in the study of open clusters

Beeson, Kevin (author), Kos, Janez (mentor)

The study of stars' chemical composition is pivotal for understanding the Milky Way's history. The explosion of large astronomical surveys in the 21$^{\rm{st}}$ century gives a wealth of data for astronomers to explore with the improving observational analytical methods. In this thesis, we combined photometric methods with spectroscopic methods to get better chemical compositions of stars in open clusters. The ability to measure precise and accurate stellar effective temperatures ($T_{\rm{eff}}$) and surface gravities ($\log(g)$) is essential in determining accurate and precise abundances of chemical elements in stars. Measuring $\log(g)$ from isochrones fitted to colour-magnitude diagrams of open clusters is significantly more accurate and precise compared to spectroscopic $\log(g)$. By determining the ranges of ages, metallicity, and extinction of isochrones that will fit the colour-magnitude diagram, we constructed a joint probability distribution of $T_{\rm{eff}}$ and $\log(g)$. The joint photometric probability shows the complex correlations between $T_{\rm{eff}}$ and $\log(g)$, which depend on the evolutionary stage of the star. We show that by using this photometric prior while fitting spectra, we can acquire more precise spectroscopic stellar parameters and abundances of chemical elements. This reveals higher-order abundance trends in open clusters like traces of atomic diffusion. We used photometry and astrometry provided by the \textit{Gaia} DR3 catalogue, Padova isochrones, and Galactic Archaeology with HERMES (GALAH) DR4 spectra. We analysed the spectra of 1979 stars in nine open clusters, using Markov chain Monte Carlo(MCMC) to fit the spectroscopic abundances of 26 elements, $T_{\rm{eff}}$, $\log(g)$, $v_{\rm{mic}}$, and $v_{\rm{broad}}$. We found that using photometric priors improves the accuracy of abundances and $\log(g)$, as we observed the effects of atomic diffusion in certain elements when we calculated abundances using photometric priors, compared to calculations made without the photometric priors. We explored how well MCMC measures the precision of abundances and stellar parameters by comparing them to abundance spread in repeat observations, abundance spread in M67, and the uncertainty in GALAH DR4. We found that MCMC underestimates the precision of abundances. We compared our precision to GALAH DR4 and found it to be well-measured.

• Language: English
• Keywords: open clusters and associations: general -- techniques: photometric-- parallaxes -- Hertzsprung –Russell and colour–magnitude diagrams -- stars: abundances
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FMF - Faculty of Mathematics and Physics
• Year: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-162660
• COBISS.SI-ID: 209918979
• Publication date in RUL: 26.09.2024

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Visokoresolucijska spektroskopija združena z natančno fotometrijo razsutih kopic

Abstract

Raziskovanje kemične sestave zvezd je ključnega pomena za razumevanje zgodovine Galaksije. Eksplozija velikih astronomskih raziskav v 21.$^{\rm{st}}$ stoletju je astronomom dala ogromno podatkov, ki jih lahko raziskujejo z vedno boljšimi metodami opazovalne analize. V tem delu smo združili fotometrične metode s spektroskopskimi metodami, da bi dobili boljše kemijske sestave zvezd v odprtih kopicah. Sposobnost merjenja natančnih in točnih efektivnih temperatur zvezd ($T_{\rm{eff}}$) in površinskih težnosti ($\log(g)$) je bistvena za določanje natančnih in točnih vsebnosti kemijskih elementov v zvezdah. Merjenje $\log(g)$ iz izohronov, ki so prilagojeni barvno-magnitudnim diagramom odprtih kopic, je v primerjavi s spektroskopskim merjenjem $\log(g)$ bistveno natančnejše in točnejše. Z določitvijo razponov starosti, kovinskosti in ekstinkcije izohronov, ki se prilegajo barvno-magnitudnemu diagramu, smo sestavili skupno verjetnostno porazdelitev $T_{\rm{eff}}$ in $\log(g)$. Skupna fotometrična verjetnost kaže zapletene korelacije med $T_{\rm{eff}}$ in $\log(g)$, ki so odvisne od razvojne stopnje zvezde. Pokazali smo, da lahko z uporabo te fotometrične prednosti pri prilagajanju spektrov dobimo natančnejše spektroskopske zvezdne parametre in vsebnosti kemijskih elementov. To razkrije trende višjega reda obilja v odprtih kopicah, kot so sledi atomske difuzije. Uporabili smo fotometrijo in astrometrijo, ki ju zagotavlja \textit{Gaia}. DR3, izohrone iz Padove in spektre Galaktične arheologije s HERMES (GALAH) DR4. Analizirali smo spektre 1979 zvezd v devetih odprtih kopicah in z uporabo Markove verige Monte Carlo (MCMC) določili spektroskopske vsebnosti 26 elementov, $T_{\rm{eff}}$, $\log(g)$, $v_{\rm{mic}}$ in $v_{\rm{broad}}$. Ugotovili smo, da uporaba fotometričnih priorov izboljša natančnost številčnosti in $\log(g)$, saj smo pri izračunu številčnosti z uporabo fotometričnih priorov v primerjavi z izračuni brez fotometričnih priorov opazili učinke atomske difuzije v nekaterih elementih. Raziskali smo, kako dobro MCMC meri natančnost abundanc in zvezdnih parametrov, tako da smo jih primerjali z razponom abundanc v ponovljenih opazovanjih, razponom abundanc v M67 in negotovostjo v GALAH DR4. Ugotovili smo, da metoda MCMC podcenjuje natančnost številčnosti. Primerjali smo našo natančnost z natančnostjo GALAH DR4 in ugotovili, da je dobro izmerjena.

• Keywords: razsute kopice in asociacije: splošno -- tehnike: fotometrične -- paralakse -- Hertzsprung-Russellov diagram in barvno-magnitudni diagrami -- zvezde: zastopanosti elementov