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Main Title: Quantitative Models of AGB Populations with Subsolar Metallicities and their Mass Loss
Translated Title: Quantitative Modelle von AGB Populationen mit subsolaren Metallizitäten und ihr Massenverlust
Author(s): Wachter, Astrid
Advisor(s): Sedlmayr, Erwin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wird der Massenverlust von Sternen untersucht, mit besonderem Schwerpunkt auf denen, die sich im Hertzsprung-Russell-Diagramm auf dem Asymptotischen Riesenast (AGB, engl. Abk.) befinden und durch hohe Leuchtkräfte und niedrige Effektivtemperaturen gekennzeichnet sind. Der AGB ist die späte Entwicklungsphase von Sternen mit niedriger und mittlerer Anfangsmasse. Charakteristisch für sie sind Instabilitäten, die zu Pulsationen der Sterne führen, wie sie z. B. bei Langperiodischen Veränderlichen oder Mira Sternen beobachtet werden. Außerdem ist diese Phase mit starkem Massenverlust von bis zu ~10^{-4} M_{sun} yr^{-1} verbunden. Durch ihren Massenverlust tragen diese Sterne erheblich zur Anreicherung der interstellaren Materie mit durch Kernfusion prozessierter Materie und Staub bei. AGB Sterne sind daher nicht nur als Objekte der Sternentwicklung interessant, sondern auch im Hinblick auf die galaktische chemische Entwicklung. Die Existenz von Staub in der Atmosphäre eines AGB Sterns hat einen immensen Einfluß auf deren Physik und Chemie. Wurde erst einmal Staub gebildet, spielt er eine wichtige Rolle als Antriebsmechanismus des Massenverlustes, da sein Absorptionsquerschnitt um vieles größer ist als der von (molekularem) Gas. Durch die Pulsation wird die Atmosphäre angehoben, was zu günstigen Bedingungen für die Staubbildung führt. Der Strahlungsdruck auf die gebildeten Staubkörner und Reibungskopplung zwischen Staub und umgebendem Gas beschleunigt die Materie nach außen und führt zu beträchtlichem Massenverlust des Sterns. In dieser Arbeit kombinieren wir Sternentwicklungssimulationen mit einer Massenverlust-Beschreibung, die auf detaillierten Windmodellen basiert, und untersuchen von theoretischer Seite den sich ergebenden Massenverlust. Während in früheren Untersuchungen Modelle mit solarer Metallizität ausgewertet wurden, konzentrieren wir uns hier auf staubgetriebene Windmodelle mit Elementhäufigkeiten, die in den Magellanschen Wolken beobachtet werden. Die Metallizität der Großen Magellanschen Wolke (LMC) ist Z=0.008, d. h. ungefähr ein gutes Drittel des solaren Wertes, während die Kleine Magellansche Wolke (SMC) eine im Schnitt sogar noch niedrigere Metallizität von Z=0.004 hat, was der Hälfte des LMC bzw. ein Fünftel des solaren Wertes entspricht. Basierend auf Sätzen dieser Windmodelle leiten wir parametrisierte Massenverlustbeschreibungen ab, die nur von den Sterngrößen selbst abhängen und dann in Sternentwicklungsrechnungen angewandt werden. Diese Rechnungen führen zu einer quantitativen Darstellung des Massenverlusts von Sternen mit subsolaren Metallizitäten. Unter Verwendung der neuen Raster von Entwicklungswegen generieren wir synthetische Sternsätze, die ausgehend von einer gegebenen Anfangsmassenverteilung und Sternbildungsrate den heutigen Zustand widerspiegeln. Diese werden erfolgreich mit einem beobachteten Satz von Riesensternen aus der Datenbank des "DENIS Catalogue toward Magellanic Clouds" verglichen.
In this work the mass loss of stars is investigated with special focus on those populating the asymptotic giant branch (AGB) in the Hertzsprung-Russell diagram characterised by high luminosities and low effective temperatures. On the AGB stars with low- and intermediate initial mass are in their late stage of evolution. This phase is characterised by instabilities leading to stellar pulsations as observed in long-period variables or Mira stars. Furthermore, this phase is connected to strong mass-loss of up to ~10^{-4} M_{sun} yr^{-1}. By means of their mass loss, these stars contribute enormously to the enrichment of the interstellar matter with material processed through nuclear burning reactions and dust. Therefore, AGB stars are not only interesting as objects of stellar evolution but also in terms of galactic chemical evolution. In the atmosphere of an AGB star, the existence of dust has an immense influence on its physics and chemistry. Once dust is formed, it plays an important role as driving-mechanism of the mass loss, because its absorption cross section is by far larger than that of the (molecular) gas. Due to the pulsation the stellar atmosphere is levitated leading to favourable conditions for dust formation. The radiation pressure on the formed dust grains and the frictional coupling between the dust and surrounding gas accelerates the material outwards and results in a substantial stellar mass loss. In this work we theoretically investigate mass loss resulting from stellar evolution simulation in combination with a mass-loss description based on detailed dust-driven wind models. While in earlier investigations models with solar metallicity have been evaluated, we focus here on dust-driven wind models with element abundances as observed in the Magellanic Clouds. The metallicity of the Large Magellanic Cloud (LMC) is Z=0.008, i.e. roughly a good third of the solar value, while the Small Magellanic Cloud (SMC) has on average an even lower metallicity of Z=0.004, being half of the LMC or a fifth of the solar metallicity. Based on grids of these wind models we derive parameterised mass-loss descriptions dependent on stellar quantities only, which then are applied to stellar evolution calculations. Those lead to a quantitative account of stellar mass loss at subsolar metallicities. On the basis of the new grids of evolutionary tracks, we are generating synthetic stellar samples which represent the present day state for a given initial mass function and star formation rate in dependence of the considered metallicity. These are successfully compared to an observed sample of giants from the DENIS Catalogue toward Magellanic Clouds database.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15228
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1855
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1558
Exam Date: 16-Feb-2007
Issue Date: 21-Mar-2007
Date Available: 21-Mar-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Massenverlust
Niedrige Metallizität
Staub-getriebene Winde
Sternatmosphären
Sternentwicklung
Dust-driven winds
Low metallicity
Mass loss
Stellar atmospheres
Stellar evolution
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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