Physical parameters of red supergiants in nearby galaxies

Abstract

Red supergiants (RSGs) are a crucial stage in the evolution of massive stars, generally representing the last stage before a supernova explosion. During this stage, they contribute to the dynamical and chemical evolution of their host galaxy with their high continuous mass-loss rates and episodic mass-loss events. Several open questions regarding the physics of RSGs remain, such as i) the mass-loss driving mechanism and its dependency on atmospheric properties such as the metallicity and turbulence, ii) the observed lack of exploding high mass RSGs (∼ 20 − 25 M⊙ ), known as the “RSG problem”, and iii) the spectroscopic temperature discrepancies when different methodologies and diagnostics are used, extending up to 600 K when using the TiO bands as the primary temperature diagnostic. These discrepancies likely arise from limitations in the atmospheric models used to model the spectra, yet no full solutions have been presented so far (e.g., full grids of 3D RSG model atmospheres).In this dissertation, we explore the temperature scale for RSGs using spectroscopic observations of 137 RSGs, from which 41 show a dust-rich circumstellar environment revealed by their IR excess. This includes the currently largest set of optical RSG spectra studied beyond the Local Group (129). We obtained the surface properties of these RSGs using the MARCS atmospheric models for cool stars and compared the properties of dust-rich RSGs to dust-poor RSGs. The presence of circumstellar dust is a strong indicator of mass loss in RSGs, allowing for a connection between the inferred surface properties and mass loss. We found dusty RSGs to be more luminous, cooler, more variable, and exhibit a higher degree of self-extinction compared to RSGs without IR excess. We also explain the presence of circumstellar dust around three hot RSGs with either a potential recent mass ejection or extreme spectral variability (Levesque-Massey variables), making them candidates for future studies on extreme RSG mass loss. The molecular TiO bands, albeit shown to significantly underestimate the effective temperatures of RSGs, were the primary diagnostic used to obtain the effective temperature. To address the effective temperature discrepancy, we derived scaling relations bridging the cool TiO temperature scale to values more representative of the atmospheres of RSGs. We found that the extent of the discrepancy is tightly correlated with inferred mass-loss rates from SED fits. RSGs with higher mass-loss rates generally show a larger discrepancy between the effective temperatures obtained from the TiO band or for example spectral lines in the J −band or i −band. Although previously predicted by models, this is the first time the connection between the cool TiO bands and mass loss has been empirically established. Applying the scaling relations to the observed TiO temperatures scales the temperatures to values that agree with evolutionary predictions. We recommend further exploration of the scaling relations with the effects of metallicity and mass loss, to reliably scale temperatures of RSGs in various evolutionary stages and metallicity environments. Lastly, we conclude that the TiO diagnostic may be a promising future mass-loss probe, as current gas-dependent diagnostics (molecules in the sub-mm domain), are only resolved for nearby RSGs (up to the Magellanic Clouds).

Οι ερυθροί υπεργίγαντες (RSGs) αποτελούν ένα κρίσιμο στάδιο στην εξέλιξη των αστέρων μεγάλης μάζας, αντιπροσωπεύοντας γενικά το τελευταίο στάδιο πριν από την έκρηξη σουπερνόβα. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, συμβάλλουν στη δυναμική και χημική εξέλιξη του γαλαξία τους με τους υψηλούς συνεχείς ρυθμούς απώλειας μάζας καιτα επεισοδιακή απώλεια μάζας τους. Αρκετά ανοικτά ερωτήματα σχετικά με τη φυσική των RSGs παραμένουν, όπως ι) ο μηχανισμός που οδηγεί στην απώλεια μάζας και η εξάρτησή του από τις ατμοσφαιρικές ιδιότητες, όπως η μεταλλικότητα και η τύρβη, ιι) η παρατηρούμενη έλλειψη εκρηκτικών RSGs υψηλής μάζας (∼ 20 − 25 M⊙ ), γνωστήως “πρόβλημα RSG”, και ιιι) οι φασματοσκοπικές αποκλίσεις θερμοκρασίας όταν χρησιμοποιούνται διαφορετικές μεθοδολογίες και διαγνωστικά μέσα, που φτάνουν μέχρι και 600 K όταν χρησιμοποιούνται οι ζώνες TiO ως το κύριο διαγνωστικό μέσο θερμοκρασίας. Αυτές οι αποκλίσεις προκύπτουν πιθανώς από περιορισμούς στα ατμοσφαιρικά μοντέλαπου χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση των φασμάτων, ωστόσο δεν έχουν παρουσιαστεί πλήρεις λύσεις μέχρι στιγμής (π.χ. πλήρη πλέγματα τρισδιάστατων ατμοσφαιρικών μοντέλων RSG). Σε αυτή τη διατριβή, διερευνούμε την κλίμακα θερμοκρασίας για τους RSGs χρησιμοποιώντας φασματοσκοπικές παρατηρήσεις 137 RSGs, από τους οποίους οι 41 παρουσιάζουν ένα πλούσιο σε σκόνη περιβάλλων αστρικό περιβάλλον που αποκαλύπτεται από την υπέρβαση της υπέρυθρης ακτινοβολίας τους. Αυτό περιλαμβάνει το μεγαλύτερο προς το παρόν σύνολο οπτικών φασμάτων RSGs που μελετήθηκαν πέρα από την Τοπική Ομάδα (129). Λάβαμε τις επιφανειακές ιδιότητες αυτών των RSGs χρησιμοποιώντας τα ατμοσφαιρικά μοντέλα MARCS για ψυχρούς αστέρες και συγκρίναμε τις ιδιότητες των RSGs πλούσιων σε σκόνη με τους RSGs φτωχούς σε σκόνη. Η παρουσία περιαστρικής σωματιδιακής σκόνης είναι ένας ισχυρός δείκτης απώλειας μάζας στους RSGs, επιτρέποντας τη σύνδεση μεταξύ των συναγόμενων επιφανειακών ιδιοτήτων και της απώλειας μάζας. Βρήκαμε ότι τα RSGs με σκόνη είναι πιο φωτεινοί, πιο ψυχροί, πιο μεταβλητοί και παρουσιάζουν υψηλότερο βαθμό απορρόφησης σε σύγκριση με τα RSGs χωρίς περίσσεια IR. Εξηγούμε επίσης την παρουσία περιαστρικής σκόνης γύρω από τρεις θερμούς RSGs με πιθανή πρόσφατη εκτίναξη μάζας ή ακραία φασματική μεταβλητότητα (μεταβλη τοί Levesque-Massey), καθιστώντας τους υποψήφιους για μελλοντικές μελέτες σχετικάμε την ακραία απώλεια μάζας RSGs. Οι μοριακές ζώνες TiO, αν και αποδείχθηκε ότι υποεκτιμούν σημαντικά τις πραγματικές θερμοκρασίες των RSG, ήταν το κύριο διαγνωστικό μέσο που χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση της πραγματικής θερμοκρασίας. Για να αντιμετωπίσουμε την ασυμφωνία της πραγματικής θερμοκρασίας, εξάγαμε σχέσεις κλιμάκωσης που γεφυρώνουν την ψυχρή κλίμακα θερμοκρασίας TiO με τιμές πιο αντιπροσωπευτικές για τις ατμόσφαιρες των RSGs. Διαπιστώσαμε ότι η έκταση της ασυμφωνίας συσχετίζεται στενά με τους συναγόμενους ρυθμούς απώλειας μάζας από προσαρμογές SED. Οι RSGs με υψηλότερους ρυθμούς απώλειας μάζας παρουσιάζουν γενικά μεγαλύτερη απόκλιση μεταξύτων πραγματικών θερμοκρασιών που λαμβάνονται από τη ζώνη TiO ή για παράδειγμα από φασματικές γραμμές στη ζώνη J ή τη ζώνη i. Αν και είχε προβλεφθεί προηγουμένως από μοντέλα, είναι η πρώτη φορά που η σχέση μεταξύ των ψυχρών ζωνών TiO και της απώλειας μάζας τεκμηριώνεται εμπειρικά. Η εφαρμογή των σχέσεων κλιμάκωσης στις παρατηρούμενες θερμοκρασίες TiO κλιμακώνει τις θερμοκρασίες σε τιμές που συμφωνούνμε τις εξελικτικές προβλέψεις. Συνιστούμε την περαιτέρω διερεύνηση των σχέσεων κλιμάκωσης με τις επιδράσεις της μεταλλικότητας και της απώλειας μάζας, για την αξιόπιστη κλιμάκωση των θερμοκρασιών των RSGs σε διάφορα εξελικτικά στάδια και περιβάλλοντα μεταλλικότητας. Τέλος, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι το διαγνωστικό TiO μπορεί να είναι ένας πολλά υποσχόμενος μελλοντικός ανιχνευτής απώλειας μάζας, καθώς τα τρέχοντα διαγνωστικά που εξαρτώνται από το αέριο (μόρια στον τομέα των sub-mm), επιλύονται μόνο για κοντινά RSGs (μέχρι τα Μαγγελανικά Νέφη).