Precise spectroscopic analysis of solar-type stars with moderate and fast rotation

Abstract

In this thesis, I describe the processes of deriving the fundamental stellar parameters for solar-type stars. The purpose of this thesis is to optimize existing methods but also create new methodologies for determining stellar parameters that covers a very diverse group of stars. In Chapters 2 and 3, I describe the standard method of deriving stellar parameters for slowly rotating FGK stars that is based on the measurement of equivalent width (EW) of iron lines and by imposing ionization and excitation balance. Even though, this method has been successfully applied to large sample of stars, it has been reported considerable discrepancies for the lower temperature regime (Teff < 5000 K). These stars have line-crowded spectra and the precise measurement of the EW is difficult. We dealt with this problem by carefully selecting a line list, using a K-type star as a reference. The new parameters for cool stars are now in agreement with more model-independent methods, namely the infrared flux method. The new line list is also used for giant stars and for the cooler planet hosts. A principal part of this thesis was to create a procedure to deal with stars with high rotational velocities. The parameters for these stars cannot be derived with the standard EW method because their spectral lines are broadened and therefore strongly blended. In chapter 4, I present the basic principles of the spectral synthesis technique. In chapter 5, I present a refinement of the spectral synthesis technique designed to treat fast rotating stars better. The comparison of our stellar parameters shows good agreement with literature values, both for slowly and for fast rotating stars. In addition, our results are on the same scale as the parameters derived from the EW method, presented in our previous work. We applied the new methodology to transit planet hosts, as these stars have wide dispersion in their rotational velocities compared to the radial velocity targets. With this thesis, we provide the tools to derive precise stellar parameters. This work is expected to have strong impact on the study of stellar populations of the Milky Way, the characterization of planets and their hosts, and understanding stellar atmospheres.

Σε αυτή τη διατριβή, περιγράφω τις διαδικασίες εξαγωγής των θεμελιωδών αστρικών παραμέτρων για αστέρια ηλιακού τύπου. Σκοπός αυτής της διατριβής είναι η βελτιστοποίηση των υπαρχουσών μεθόδων αλλά και η δημιουργία νέων μεθοδολογιών για τον προσδιορισμό των αστρικών παραμέτρων που καλύπτουν μια πολύ διαφορετική ομάδα άστρων. Στα Κεφάλαια 2 και 3, περιγράφω την τυπική μέθοδο εξαγωγής αστρικών παραμέτρων για αργά περιστρεφόμενα αστέρια FGK που βασίζεται στη μέτρηση του ισοδύναμου πλάτους (EW) των γραμμών σιδήρου και με την επιβολή ισορροπίας ιονισμού και διέγερσης. Παρόλο που αυτή η μέθοδος έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε μεγάλο δείγμα άστρων, έχουν αναφερθεί σημαντικές αποκλίσεις για το καθεστώς χαμηλότερης θερμοκρασίας (Teff < 5000 K). Αυτά τα αστέρια έχουν γραμμικά συνωστισμένα φάσματα και η ακριβής μέτρηση του EW είναι δύσκολη. Αντιμετωπίσαμε αυτό το πρόβλημα επιλέγοντας προσεκτικά μια λίστα γραμμών, χρησιμοποιώντας ένα αστέρι τύπου Κ ως αναφορά. Οι νέες παράμετροι για τα ψυχρά αστέρια συμφωνούν τώρα με μεθόδους πιο ανεξάρτητες από το μοντέλο, δηλαδή τη μέθοδο υπέρυθρης ροής. Η νέα λίστα γραμμών χρησιμοποιείται επίσης για γιγάντια αστέρια και για ψυχρότερους ξενιστές πλανητών.Ένα κύριο μέρος αυτής της διατριβής ήταν η δημιουργία μιας διαδικασίας για την αντιμετώπιση των αστεριών με υψηλές περιστροφικές ταχύτητες. Οι παράμετροι για αυτά τα αστέρια δεν μπορούν να προκύψουν με την τυπική μέθοδο EW επειδή οι φασματικές γραμμές τους διευρύνονται και επομένως αναμειγνύονται έντονα. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζω τις βασικές αρχές της τεχνικής της φασματικής σύνθεσης. Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζω μια βελτίωση της τεχνικής φασματικής σύνθεσης που έχει σχεδιαστεί για να αντιμετωπίζει καλύτερα τα γρήγορα περιστρεφόμενα αστέρια. Η σύγκριση των αστρικών μας παραμέτρων δείχνει καλή συμφωνία με τις τιμές της βιβλιογραφίας, τόσο για αργά όσο και για γρήγορα περιστρεφόμενα αστέρια. Επιπλέον, τα αποτελέσματά μας είναι στην ίδια κλίμακα με τις παραμέτρους που προέρχονται από τη μέθοδο EW, που παρουσιάστηκε σε προηγούμενη εργασία μας. Εφαρμόσαμε τη νέα μεθοδολογία σε διερχόμενους ξενιστές πλανητών, καθώς αυτά τα αστέρια έχουν μεγάλη διασπορά στις ταχύτητες περιστροφής τους σε σύγκριση με τους στόχους ακτινικής ταχύτητας. Με αυτή τη διατριβή, παρέχουμε τα εργαλεία για την εξαγωγή ακριβών αστρικών παραμέτρων. Αυτή η εργασία αναμένεται να έχει ισχυρό αντίκτυπο στη μελέτη των αστρικών πληθυσμών του Γαλαξία, στον χαρακτηρισμό των πλανητών και των ξενιστών τους και στην κατανόηση της αστρικής ατμόσφαιρας.