Galactic planetary nebulae with emphasis on those that are members of open star clusters

Abstract

The study of Planetary Nebulae (PNe) provides vital clues for understanding late stage stellar evolution and stellar mass loss. Despite their significance, various issues concerning these objects remain unsolved. Interstellar extinction by dust hampers the detection of many Galactic PNe at optical wavelengths while their largely unknown distances and progenitor masses are two key parameters that hamper deeper understanding. More reliable data is urgently required. Identification of dust obscured PNe can be partially solved with observations at longer wavelengths where extinction effects are less serious and by multi-wavelength techniques proposed for their detection. Multi-wavelength techniques are a proven effective method for identification of Galactic PN candidates. Here, the efficacy of these methods is evaluated for identification of new Galactic PN candidates. From 70 new PN candidates uncovered in this study only 11 have optical counterparts allowing spectroscopic follow-up. From the eight observed so far, seven are confirmed as PNe. One subset of PNe that avoid most of the above issues are PNe in Galactic star clusters. Such PNe have distances and progenitor masses determined independently from cluster color-magnitude diagrams. Observational data of Galactic cluster PNe and their central stars (CSPN) allows determination of their final core masses that can feed into the Initial-To-Final Mass (IFMR) relation which is crucial for understanding the chemical enrichment of the interstellar medium. Evidence of a PN-cluster association requires multiparameter agreement of reddening, distance, angular proximity, PN physical size and most importantly radial velocity. Here, we study the first confirmed PN-open cluster pair (PHR1315-6555 ─ AL 1) identifying its CSPN and measuring its physical properties. This study allowed the determination of AL 1's physical parameters with precision and the identification of the core of PHR 1315-6555 that is a ∼ 0.6 Msol, hot (T= ∼ 110 kK) white dwarf with a progenitor mass of ∼ 2.5 Msol. The presence of an unresolved binary companion is unlikely. We also demonstrate in detail the physical association of PN BMP J1613-5406 with Galactic open cluster NGC 6067, the second confirmed PN-OC pair. The excellent agreement of all required parameters (e.g. radial velocity) strongly suggests association. Its progenitor mass is ∼ 5.6 Msol. The CSPN mass is estimated to be ∼ 0.94 Msol and a candidate CSPN of V ∼ 20.2 is found to be close to the apparent nebular centre. Finally, we provide preliminary details on several additional cases of possible PN-cluster associations we have uncovered. This is based on the close angular proximity of PN, cluster morphology and other preliminary indicators, but more data are required to confirm these links. This work suggests many Galactic PNe remain to be uncovered in areas of high extinction and that cluster-PN pairs offer a great opportunity for study. Our new PN-OC associations contribute to the improvement of the IFMR and our multi-wavelength study suggests that a new era begins for the identification of Galactic PNe hidden by dust.

Η μελέτη των Πλανητικών Νεφελωμάτων (ΠΝ) παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για την κατανόηση των τελικών σταδίων της αστρικής εξέλιξης και της απώλειας αστρικής μάζας. Παρά τη σημασία τους, πολλά ζητήματα που αφορούν τα αντικείμενα αυτά παραμένουν άλυτα. Η μεσοαστρική απορρόφηση λόγω σκόνης δυσχεραίνει την ανίχνευση μεγάλου αριθμού Γαλαξιακών ΠΝ στα οπτικά μήκη κύματος, ενώ οι κατά κύριο λόγο άγνωστες αποστάσεις τους και οι άγνωστες μάζες των προγονικών τους αστέρων αποτελούν δύο βασικές παραμέτρους που περιορίζουν την εις βάθος κατανόησή τους. Η ανάγκη για πιο αξιόπιστα δεδομένα είναι επιτακτική. Η αναγνώριση ΠΝ που αποκρύπτονται από τη σκόνη μπορεί να αντιμετωπιστεί εν μέρει μέσω παρατηρήσεων σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, όπου οι επιδράσεις της απόσβεσης είναι λιγότερο έντονες, καθώς και με πολυφασματικές τεχνικές που έχουν προταθεί για την ανίχνευσή τους. Οι πολυφασματικές τεχνικές έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην αναγνώριση υποψήφιων Γαλαξιακών ΠΝ. Στην παρούσα διατριβή αξιολογείται η αποτελεσματικότητα των μεθόδων αυτών για την ανακάλυψη νέων υποψήφιων Γαλαξιακών ΠΝ. Από τα 70 νέα υποψήφια ΠΝ που εντοπίστηκαν, μόνο 11 διαθέτουν απεικονιστικές παρατηρήσεις στο οπτικό μέρος του φάσματος ώστε να επιτρέπουν την φασματοσκοπική τους παρατήρηση. Από τα οκτώ που έχουν ήδη παρατηρηθεί, τα επτά επιβεβαιώθηκαν ως ΠΝ. Μια ιδιαίτερη υποκατηγορία ΠΝ που αποφεύγει τα περισσότερα από τα παραπάνω προβλήματα είναι τα ΠΝ που ανήκουν σε Γαλαξιακά αστρικά σμήνη. Για τα νεφελώματα αυτά, οι αποστάσεις και οι μάζες των προγονικών άστρων μπορούν να προσδιοριστούν ανεξάρτητα μέσω των διαγραμμάτων χρώματος–οπτικού μεγέθους των σμηνών. Τα παρατηρησιακά δεδομένα των ΠΝ σε Γαλαξιακά αστρικά σμήνη και των κεντρικών τους άστρων επιτρέπουν τον προσδιορισμό των τελικών μαζών των πυρήνων τους, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της σχέσης αρχικής–τελικής μάζας (ΣΑΤΜ), μιας σχέσης κρίσιμης σημασίας για την κατανόηση του χημικού εμπλουτισμού της μεσοαστρικής ύλης. Η τεκμηρίωση μιας φυσικής σύνδεσης μεταξύ ενός ΠΝ και ενός αστρικού σμήνους απαιτεί συμφωνία πολλών παραμέτρων, όπως η ερυθροποίηση, η απόσταση, η μικρή γωνιακή απόσταση, το φυσικό μέγεθος του νεφελώματος και, κυρίως, η ακτινική ταχύτητα. Στην παρούσα εργασία μελετάται το πρώτο επιβεβαιωμένο ζεύγος πλανητικού νεφελώματος και ανοικτού σμήνους (PHR1315-6555 – AL 1), με στόχο την ταυτοποίηση του κεντρικού του άστρου και τον προσδιορισμό των φυσικών του ιδιοτήτων. Η μελέτη αυτή επέτρεψε τον ακριβή προσδιορισμό των φυσικών παραμέτρων του AL 1 και την ταυτοποίηση του πυρήνα του PHR1315-6555 ως ενός θερμού λευκού νάνου μάζας περίπου 0,6 ηλιακών μαζών και θερμοκρασίας περίπου 110 kK, με μάζα προγονικού άστρου περίπου 2,5 ηλιακές μάζες. Η παρουσία μη διακριτού δυαδικού συνοδού κρίνεται απίθανη. Παρουσιάζεται επίσης λεπτομερής τεκμηρίωση της φυσικής σύνδεσης του πλανητικού νεφελώματος BMP J1613-5406 με το Γαλαξιακό ανοικτό σμήνος NGC 6067, το δεύτερο επιβεβαιωμένο ζεύγος ΠΝ–ανοικτού σμήνους. Η εξαιρετική συμφωνία όλων των απαιτούμενων παραμέτρων, όπως η ακτινική ταχύτητα, υποστηρίζει ισχυρά την ύπαρξη φυσικής συσχέτισης. Η μάζα του προγονικού άστρου εκτιμάται σε περίπου 5,6 ηλιακές μάζες, ενώ η μάζα του κεντρικού άστρου του νεφελώματος υπολογίζεται σε περίπου 0,94 ηλιακές μάζες. Επιπλέον, εντοπίστηκε υποψήφιο κεντρικό άστρο με φαινόμενο μέγεθος V ≈ 20,2 κοντά στο κέντρο του νεφελώματος. Τέλος, παρουσιάζονται προκαταρκτικά αποτελέσματα για αρκετές επιπλέον περιπτώσεις πιθανών συσχετίσεων μεταξύ πλανητικών νεφελωμάτων και αστρικών σμηνών που εντοπίστηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας. Οι ενδείξεις βασίζονται στη μικρή γωνιακή απόσταση μεταξύ νεφελώματος και σμήνους, στη μορφολογία του σμήνους και σε άλλους προκαταρκτικούς δείκτες, ωστόσο απαιτούνται επιπλέον δεδομένα για την οριστική επιβεβαίωσή τους. Η παρούσα εργασία υποδεικνύει ότι πολλά Γαλαξιακά πλανητικά νεφελώματα παραμένουν ακόμη αδιάγνωστα σε περιοχές υψηλής μεσοαστρικής απορρόφησης και ότι τα ζεύγη αστρικών σμηνών–πλανητικών νεφελωμάτων προσφέρουν εξαιρετικές δυνατότητες για τη μελέτη της αστρικής εξέλιξης. Οι νέες συσχετίσεις ΠΝ–ανοικτών σμηνών που παρουσιάζονται συμβάλλουν στη βελτίωση της σχέσης ΣΑΤΜ, ενώ η πολυφασματική προσέγγιση που εφαρμόζεται υποδεικνύει την έναρξη μιας νέας εποχής στην αναγνώριση Γαλαξιακών πλανητικών νεφελωμάτων που παραμένουν κρυμμένα πίσω από τη μεσοαστρική σκόνη.