Transient variability and variability of massive stars with the Hubble space telescope

Abstract

Massive stars (stars with Mstar >8 M⊙) are among the most enigmatic types of stars.They lie at the upper part of the Hertzsprung-Russell diagram and despite their scantnumber they play a major role in the evolution of the Universe. They are the progenitorsof various sub-classes of supernovae, responsible for the re-ionization of the Universe andthe sources that produce the most energetic phenomenon yet found, gamma-ray bursts.Transients are astronomical objects or phenomena whose duration may be from secondsto days, weeks, or even several years. Supernovae, novae, dwarf nova outbursts, gammaraybusts and tidal disruption events are some examples of violent transients. The HubbleSpace Telescope since 1991 has created one of largest archives available for the study ofboth massive stars and transients at distances beyond the Local Group.This thesis is structured in two parts. In the first part we present the results of the analysisof the massive star population in four nearby galaxies (at distances ranging from 16-20Mpc). The galaxies are NGC 1326A, NGC 1425, NGC 4535 and NGC 4548. Usingdeep HST WFPC2 images in filters F555W and F814W, through PSF photometry weanalysed the massive star population of the four galaxies. In total we identified 11402 bluesupergiants, 3155 yellow supergiants and 4640 red supergiants. In addition, we estimatedthe ratio of blue to red supergiants as a function of galactocentric radius and estimatedphotometrically the star formation history of the four fields. We examined all the sourcesidentified through photometry in each field for variability using three variabilibity indexes:The Mean Absolute Deviation (MAD), the interquartile range (IQR) and the inverse vonNeumann ratio. The variability search yielded 363 new variable stars among which are 8blue supergiants, 29 red supergiants, 15 yellow supergiants and 1 candidate LBV whichwe propose for follow-up observations.In the second part of the thesis, we describe the transients and high-amplitude variablesfound in the Hubble Catalog of Variables (HCV; Bonanos et al. 2019). The HCVcontains all variable objects detected through a robust variability search in the light curvesof all sources included in the Hubble Source Catalog v3 (Whitmore et al. 2016). Wequeried the HCV to detect all variables with amplitude of variability ≥ 1 mag. Our query resulted in 6,500 matches; 1107 multi-filter and 5593 single-filter variables (Spetsieri etal., in prep.). The next step was to distinguish the sources that had been previously studied.We therefore cross-matched the sources with the whole CDS with a search radius of 3 ′′ .Although our query was applied to the total number of variables (multi-filter and single-filter) we initially focused on the multi-filter candidate variable stars that were flagged as“true variables” in the HCV. Our search yielded 243 multi-filter sources that have notbeen previously reported in the literature. For all 243 sources we created the CMD andtheir lightcurves. We report two candidate transients among our new high-amplitude vari-ables, which display a large variation within 2-5 days and two supernovae. In conclusion,we created four catalogs of massive stars and variable stars in four nearby galaxies and onecatalog with the high-amplitude variables in the HCV, that will serve as a tool for futurestudies. Increasing the number of photometric and spectroscopic observations of massivestars could help identify SN Type II progenitors and constrain the evolutionary models ofmassive stars, unveiling important information about their properties and evolution.

Το υψηλότερο μέρος του διαγράμματος της αστρικής εξέλιξης H-R φιλοξενεί κάποιους από τους πιο αινιγματικούς τύπους αστέρων, τους αστέρες μεγάλης μάζας (Μαστέρα> 8 Μηλίου). Η κατανόηση του φυσικού μηχανισμού των αστέρων μεγάλης μάζας είναι μείζονος σημασίας για την αστρονομία καθώς οι πηγές αυτές έχουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του Σύμπαντος. Είναι οι προγεγννήτορες διάφορων υποκατηγοριών υπερκαινοφανών αστέρων, είναι υπεύθυνες για τον εμπλουτισμό του Σύμπαντος με UV ακτινοβολία ενώ κατά την κατάρρευσή τους ως μελανές οπές σημειώνονται εκλάμψεις ακτίνων-γ (gamma ray bursts) . Τα φαινόμενα παροδικής μεταβλητότητας, είναι αστρονομικά αντικείμενα ή φαινόμενα που η διάρκειά τους κυμαίνεται από δευτερόλεπτα έως μερικά έτη. Παραδείγματα φαινομένων παροδικής μεταβλητότητας αποτελούν οι υπερκαινοφανείς και καινοφανείς αστέρες, καθώς και οι εκλάμψεις ακτίνων-γ. Το διαστημικό τηλεσκόπιο του Hubble από το 1991 έχει δημιουργήσει μία από τις μεγαλύτερες αστρονομικές βάσεις δεδομένων που προσφέρεται για την μελέτη τόσο των αστέρων μεγάλης μάζας όσο και των πηγών παροδικής μεταβλητότητας σε αποστάσεις μεγαλύτερες της τοπικής ομάδας γαλαξιών. Η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος αναλύεται η μεθοδολογία της διερεύνησης του πληθυσμού των αστέρων μεγάλης μάζας στου γαλαξίες NGC 1326Α, ΝGC 1425, NGC 4535 και NGC 4548 χρησιμοποιώντας εικόνες WFPC2 από το διαστημικό τηλεσκόπιο του Hubble στα φίλτρα F555W και F814W. Με PSF φωτομετρία, ανιχνεύσαμε 11402 υποψηφίους κυανούς, 4640 ερυθρούς και 3155 κίτρινους υπεργίγαντες, εκτιμήσαμε τον λόγο των κυανών προς ερυθρών υπεργιγάντων συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο του εκάστοτε πεδίου και μελετήσαμε το recent star formation history του κάθε πεδίου. Εξετάσαμε τους τέσσερις γαλαξίες για μεταβλητούς αστέρες χρησιμοποιώντας τρεις δείκτες μεταβλητότητας βρήκαμε 363 νέους μεταβλητούς αστέρες. Με χρήση των μοντέλων αστρικής εξέλιξης MESA models χαρακτηρίσαμε τους μεταβλητούς αστέρες ανάλογα με τη μάζα και θέση τους στο CMD. Ανάμεσα στους νέους μεταβλητούς αστέρες αναφέρουμε 8 κυανούς υπεργίγαντες, 19 κίτρινους υπεργίγαντες, 29 ερυθρούς υπεργίγαντες και έναν υποψήφιο LBV αστέρα. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αναλύεται η μεθοδολογία εύρεσης νέων αστέρων με εύρος καμπύλης φωτός μεγαλύτερο του 1 μεγέθους με τα νέα δεδομένα του Καταλόγου Μεταβλητών του Ηubble (HCV; Bonanos et al. 2019). Ο κατάλογος μεταβλητών του Hubble περιέχει όλες της πηγές που χαρακτηρίστηκαν μεταβλητές μέσα από μια ενδελεχή ερευνά μεταβλητότητας και περιέχονται στον κατάλογο πηγών του Hubble (Hubble Source Catalog; Whitmore et al. 2016). Προκειμένου να εντοπίσουμε τις πηγές παροδικής μεταβλητότητας αρχικά ψάξαμε σε ολόκληρο τον HCV για μεταβλητούς αστέρες με εύρος μεταβλητότητας στην καμπύλη φωτός τους πάνω από 1 μέγεθος. Με την ερευνά μας συνολικά εντοπίσαμε 6500 μεταβλητούς αστέρες με αυτό το χαρακτηριστικό εκ των οποίων οι 1107 είχαν παρατηρηθεί σε παραπάνω από ένα φίλτρο. Ύστερα από την αναζήτηση της βιβλιογραφίας συνολικά εντοπίστηκαν 238 νέοι αστέρες που παρουσιάζουν τέτοιου είδους μεταβλητότητα σε παραπάνω από ένα φίλτρο. Για αυτές της πηγές κατασκευάσαμε τα διαγράμματα μεγέθους-χρώματος και τις καμπύλες φωτός τους ενώ αναφέρουμε 2 πηγές παροδικής μεταβλητότητας με χρόνο μεταβολής από 2-5 ημέρες και 2 υπερκαινοφανείς αστέρες. Συνοψίζοντας, δημιουργήσαμε τέσσερις καταλόγους με αστέρες μεγάλης μάζας και μεταβλητούς αστέρες και έναν κατάλογο με μεταβλητούς αστέρες μεγάλου εύρους από τον HCV οι οποίοι θα αποτελέσουν χρήσιμα εργαλεία για μελλοντικές μελέτες.