Spektralanalyse im Virtuellen Observatorium

Abstract

Anfang des Jahrtausends wurde das Virtuelle Observatorium (VO) gegründet, dessen Ziel es ist astronomische Daten über das Internet zugänglich zu machen, Standards für eine einheitliche Verarbeitung zu definieren und intuitiv zu bedienende Analysewerkzeuge zu entwickeln. Im Rahmen eines German Astrophysical Virtual Observatory (GAVO) Projekts wurden vom Institut für Astronomie und Astrophysik Tübingen (IAAT) VO-Dienste entwickelt, über die theoretische Sternspektren über das Internet zur Verfügung gestellt werden und Spektralanalyse jedem ermöglicht wird. Der Nutzer kann bereits berechnete synthetische Spektren über den TheoSSA-Dienst herunterladen. Für genauere Analysen können über den TMAW-Dienst individuelle Spektren erzeugt werden. Erfahrene Nutzer können die zugrunde liegenden Atomdaten aus der TMAD-Datenbank herunterladen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung dieser Dienste. Dafür wurden sowohl die bestehenden Dienste erweitert als auch neue Dienste erzeugt und diese in Spektralanalysen angewandt.

TIRO: Mit diesem neu entwickelten Dienst kann der VO-Nutzer individuelle Querschnitte und Modellatome für Eisengruppenelemente berechnen lassen. Die Berücksichtigung der Eisengruppenelemente in der Spektralanalyse erfolgt aufgrund ihrer Vielzahl an Energieniveaus und zugehörigen Linienübergängen nicht analog zu anderen Elementen. Ein statistisches Verfahren ist nötig, um die Energieniveaus zu kombinieren und die Querschnitte zu samplen (implementiert im IrOnIc-Programm). Um eine Verbesserung und Beschleunigung des IrOnIc-Programms zu erreichen, wurden einige seiner Parameter und Unterprogramme getestet und die Bedienung des Programms durch den webbasierten TIRO-Dienst verändert. Zusätzlich wurde eine Datenbank aufgebaut, was eine Interpolation der Querschnitte ermöglicht. Damit kann die Wartezeit von Tagen auf wenige Minuten verkürzt werden.

TMAW: Für den bestehenden TMAW-Dienst wurde eine Qualitätskontrolle eingeführt, die dem Administrator die Betreuung des Dienstes erleichtert und dem Nutzer Informationen über die Genauigkeit der resultierenden synthetischen Spektren im Vergleich zu von einem Experten mit dem selben Sternatmosphärencode berechneten, detaillierteren Spektren liefert. Außerdem wurde die Modellierung von TMAW-Spektren auf Computern, die über das AstroGrid-D zugänglich sind, ausgebaut und die Berechnung der synthetischen Modelle um weitere Schritte ergänzt, die die Genauigkeit der TMAW-Spektren steigern, aber dennoch wenig zusätzliche Rechenzeit benötigen.

Anwendung in der Spektralanalyse: Im Rahmen der Einführung einer Qualitätskontrolle für TMAW wurden differentielle Spektralanalysen für ausgewählte heliumreiche, heiße unterleuchtkräftige Sterne und PG1159-Sterne durchgeführt und deren Ergebnisse mit TMAW-Resultaten verglichen. Die Ergebnisse der Analysen weichen maximal 4% bis 12% in der resultierenden Effektivtemperatur und 4% bis 6% in der Oberflächenschwerebeschleunigung voneinander ab, was die Erwartungen deutlich übertriftt. Um die Auswirkung der neuen Atomdaten für Eisengruppenelemente auf das Ergebnis einer Analyse zu untersuchen wurden in die finalen Modelle Eisengruppenlemente eingefügt. Dadurch kann gezeigt werden, dass sich die aus einer Analyse resultierende Effektivtemperatur und Oberflächenschwerebeschleunigung bei Vernachlässigung der Eisengruppenelemente um bis zu ca. 10% ändern kann. Außerdem wurden die Auswirkungen der Eisengruppenelemente auf den Flussverlauf von Modellen wasserstoffreicher, eisengruppenüberhäufiger, heißer unterleuchtkräftiger Sterne untersucht. Es zeigt sich, dass die Eisengruppenelemente eine deutliche Absenkung des UV-Flusses verursachen können, die in den Beobachtungen bisher nicht erklärt werden konnte. Für eine Analyse einzelner Spektrallinien der Eisengruppenelemente sind die Unsicherheiten in den Atomdaten allerdings zu hoch. Die im Rahmen dieser Arbeit berechnete Diffusionsmodelle können die extrem hohen Eisengruppenhäufigkeiten erklären, chemisch homogene Atmosphären reproduzieren die Beobachtungen allerdings besser.

TMAD: Ein weiterer Beitrag zur Spektralanalyse über das Internet ist die Erweiterung der TMAD-Modellatomdatenbank.

TEUV: Der neue TEUV-Dienst ermöglicht dem VO-Nutzer die Modellierung der interstellaren Absorption durch Ionen von H, He, C, N und O (im EUV-Wellenlängenbereich) basierend auf Opacity Project-Daten. Gesteuert wird er über eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Webseite, auf der der Nutzer (interaktiv) verschiedene Parameter, die das interstellare Medium beschreiben, anpassen kann.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Tests anhand verschiedener Objekte zeigen, dass die neuen und erweiterten Tübinger VO-Dienste einen wichtigen Beitrag zur Spektralanalyse im VO liefern. Sie ermöglichen die Analyse unterschiedlicher Objekte – ohne selbst Rechenzeit in die Modellrechnung zu investieren – sowohl einer breiten Nutzergemeinde als auch den Spezialisten.

The Virtual Observatory (VO) was established at the beginning of the century. Its aims are making astronomical data accessible via the internet, developing standards for uniform data handling and generating intuitively operated tools. Within the German Astrophysical Virtual Observatory (GAVO) project, the Institute for Astronomy and Astrophysics Tübingen developed VO services to make theoretical stellar spectra accessible and to enable everybody to perform spectral analysis. Pre-calculated synthetic spectra can be downloaded via the TheoSSA service. For more detailed analyses individual spectra can be created with the TMAW service. Experienced users can download the underlying atomic data from the TMAD database. This work deals with the further development of these services by improving the existing services and creating new ones. Additionally the new and improved services were tested in spectral analyses.

TIRO: This new service enables the user to generate cross-sections and model atoms for iron-group elements. Due to the huge number of energy levels and lines iron-group elements cannot be accounted for in spectral analyses as other elements. Hence a statistical treatment is used to combine the levels and sample the lines (implemented in the existing IrOnIc program). To improve and accelerate the IrOnIc program, several of its parameters and subroutines were tested and the handling of the program (via the web-based TIRO service) was restructured. Additionally a database was built up to enable interpolation of cross-sections. This can reduce the waiting time from days to minutes.

TMAW: A quality control was established for the TMAW service that enables the user to judge the quality of the resulting synthetic spectra compared to more detailed spectra calculated by an expert with the same model-atmosphere code. Furthermore it enables easier handling of the service by the administrator. Additionally the calculation of TMAW models on computer resources of AstroGrid-D was improved. Extra calculation steps were introduced for all TMAW calculations to enhance the accuracy of the models with only little additional calculation time.

Application to spectral analysis: Within the establishment of a quality control for the TMAW service differential spectral analyses were performed for heliumrich, hot subdwarf stars and PG1159 stars. The outcomes of the analyses deviate maximum 4% to 12% in effective temperature and 4% to 6% in surface gravity. This accuracy clearly exceeds the expectations. To investigate the effects of the new iron-group atomic data on the results of the analysis, iron-group elements were included in the final models. These investigations show that the resulting effective temperature and surface gravity of an analysis can be changed by about 10% by including iron-group elements. Besides, the effect of the updated iron-group data on the overall flux shape of super metal rich hot subdwarf star models was examined. The investigation shows that iron-group elements can cause very low fluxes in the UV wavelength range that could not be explained in the observations by now. However, the underlying uncertainties of the atomic data are too high for detailed line profile analysis of iron-group elements. Diffusion models calculated within this work confirm these high iron-group abundances but the observations are reproduced better with homogeneous models.

TMAD: Another contribution to enable spectral analyses via the internet is the extension of the TMAD model-atom database.

TEUV: The newly created TEUV service enables the user to model interstellar bound-free absorption caused by ions of the elements H, He, C, N, and O (in the EUV wavelength range) based on Opacity Project data. It is controlled via a newly developed web interface where the user can (interactively) adapt the parameters of the interstellar medium.

The tests performed within this work and based on various objects show that the newly created and extended VO services built in Tübingen importantly contribute to spectral analyses in the VO. The services enable the community as well as specialists to analyze different objects – without spending computing time to calculate the stellar atmosphere.