New galactic Planetary Nebulae and the role binary central stars

par Brent Miszalski

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Agnès Acker et de Quentin Parker.

Soutenue en 2009

à Strasbourg .

  • Titre traduit

    Nouvelles nébuleuses planétaires galactiques et rôle de la binarité des étoiles centrales


  • Résumé

    La population galactique des nébuleuses planétaires (NP) permet d'apporter de précieuses contraintes pour améliorer notre compréhension de multiples problèmes astrophysiques tant à l'échelle de la Galaxie qu'à celle de l'évolution stellaire. Les NP sont détectables à de grandes distances, car leur rayonnement est concentré en de brillantes raies d'émission, dont la position et l'intensité permettent de déterminer leurs vitesses radiales et abondances chimiques. Appartenant à une population stellaire plutôt âgée, les NP sont particulièrement abondantes dans le bulbe galactique, et leur cinématique est un robuste traceur de la dynamique de cette région. Les gradients chimiques permettent aussi de contraindre les modèles chemico-dynamiques de la Galaxie. A une échelle toute différente, les étoiles centrales des NP (ECNP) permettent une description améliorée des stades finaux très mal connus de l'évolution des systèmes d'étoiles doubles. Pour que ces diverses études puissent être conduites correctement, un échantillon significatif de la population des NP doit être constitué. Le nombre de NP connues a été récemment doublé par le"Macquarie/AAO/Strasbourg Halpha (MASH) PNe catalogue" et atteint environ 2 700 NP en 2009. Le catalogue MASH-II est un supplément de MASH et contient plus de 360 nouvelles NP galactiques, découvertes suite à un sondage profond de tous les 233 champs du relevé AAO/UKST SuperCOSMOS Halpha en sa version digitale. De nouvelles techniques semi-automatiques de traitement de données et de visualisation multi-longueur d'ondes ont été developpées afin de maximiser la sensibilité de la recherche. Les NP de MASH-II se révèlent soit très petites et de brillance de surface élevée, soit très étendues avec une brillance de surface extrêmement faible. Plus de 90\% du catalogue a été confirmé spectroscopiquement au cours d'une vaste campagne d'observation. Le catalogue est disponible pour la communauté via le service vizir du Centre de Données astronomiques de Strasbourg (CDS). Cette thèse est basée sur l'exploitation des catalogues MASH et MASH-II représentant l'échantillon le plus vaste, le plus homogène, et le plus représentatif des NP dans la direction du centre galactique, offrant une opportunité unique de contribuer efficacement à deux domaines de recherche encore peu explorés : (i) La cinématique du bulbe galactique, et (ii) Le rôle de la binarité des étoiles centrales de NP. De nouvelles vitesses radiales ont été mesurées pour des centaines de NP dans la direction du bulbe, avec le spectrographe à fente du télescope ANU 2. 3-m et la spectroscopie à haute sensibilité des équipements multi-objets AAT 2dF/AAOmega et VLT FLAMES. De nombreuses mesures ont été effectuées pour beaucoup de NP résultant en un catalogue plus précis de 1200 NP dans la zone de longitude inférieure à 30° qui est couverte à 95%. L'étude cinématique a conduit à une courbe de la rotation du bulbe de pente 104 km/s/kpc en excellent agrément avec la valeur de 100 km/s/kpc determinée pour les étoiles géantes M. Des distributions cinématiques diverses ont été calculées et comparées en bon agrément avec celles d'autres populations traceurs, afin de mieux contraindre un modèle dynamique du bulbe. Dans le domaine des étoiles centrales (ECNP), une approche nouvelle et très performante a été conçue pour découvrir un grand nombre de ECNP binaires. Il s'agit d'analyser les séries de relevés photométriques d'environ 300 NP du bulbe sur le relevé OGLE-III (microlensing survey). Des variations périodiques ont été trouvées pour 21 ECNP binaires possibles, après l'élimination de 27 fausses identifications (NP mimics) détectées grâce à la spectroscopie à haute résolution. La distribution des périodes est dominée par des périodes plus courtes qu'un jour, ce qui implique que ces binaires très rapprochées auraient été produites via la phase d'enveloppe commune (common-envelope CE) de l'évolution de systèmes binaires. Ces découvertes ont doublé la population de ECNP binaires serrées, ce qui permettra pour la première fois une importante avancée dans la connaissance de l'évolution de la phase CE des binaires. La spectrométrie Gemini GMOS de 14 ECNP de l'échantillon OGLE confirme 10 « bona fide » ECNP binaires, plus 2 probablement binaires, et 2 à rejeter. De plus trois candidates au centre de petites NP devront être confirmées par une spectrométrie future, ainsi que quatre autres candidates situées au centre de NP plus étendues. Des étoiles géantes froides ont été révélées comme compagnons d'au moins deux ECNP binaires, et pour d'une d'elles la photométrie UV a révélé l'existence de la primaire invisible dans le spectre optique. Ceci suggère que des compagnons froids seraient plus fréquents que ce que l'on supposait, et permet d'éliminer des scénarios plus exotiques souvent évoqués (p. Ex. Born-again scénario). La distribution des périodes observée apparaît biaisée vers les périodes plus courtes que celles prédites par les modèles courants de synthèse de population CE. Un seul modèle de la littérature est compatible avec la distribution observée - à l'inverse de modèles plus récents. Les binaires serrées représenteraient une fraction d'au moins 10—20 % de l'ensemble des ECNP. Après une attentive prise en compte d'effets de sélection et autres limites des relevés, nos estimations apparaissent plus robustes que les estimations conduites au cours des 20--30 ans dans le passé avec des biais très incertains. Le rôle de la binarité est certainement primordial pour comprendre la morphologie des nébuleuses. Au vu de la proportion élevée de binaires serrées, au moins 10 à 20% des NP auraient du être modelée par la binarité, mais à ce jour aucune morphologie spécifique n'avait été identifiée pour les rares NP à noyau binaire serré connues. Nous avons découvert qu'environ 30% d'un échantillon de 30 NP post-CE soigneusement sélectionnées présentent une morphologie bipolaire typique. Une fraction d'au moins 60% de NP bipolaires est atteinte si on considère les variations d'inclinaison et d'autres effets. Il s'agit de l'étude la plus convaincante à ce jour montrant que la morphologie observée des NP post-CE est tout à fait compatible avec les conjectures théoriques de la formation de hauts contrastes de densité pendant la phase CE. Des structures de basse ionisation (Low Ionisation Structures LIS) sont souvent observées dans les NP post-CE. LIS apparaissent confinées soit comme des filaments ou noeuds distribués radialement dans le plan orbital, ou comme des jets à faible brillance de surface dans les régions polaires. La binarité de ECNP expliquerait aussi les LIS apparaissant autour de noyaux à émission, où une ou plusieurs phases CE auraient créé la morphologie observée et la chimie complexe des poussières (dual-dust-chemistry). Une oigine binaire expliquerait aussi la distribution (durant la phase CE) dans le plan orbital de condensations neutres de poussières et molécules d'hydrogène, qui seront ensuite photoionisés durant la phase NP. Si ce scénario binaire est avéré, les abondance d'azote des NP avec LIS doivent être revues, car les émissions [NII] observées ne seraient pas le résultat de matériau stellaire enrichi, mais seraient plutôt dues à des chocs proposés dans des modèles avec des abondances standard.


  • Résumé

    The Galactic population of planetary nebulae (PNe) offers great potential in improving our understanding of many astrophysical problems on both large and small scales. They are revealed out to large distances by their bright emission line spectra from which their radial velocities and chemical abundances can be measured. As members of the old stellar population, PNe are particularly abundant towards the Galactic bulge where their kinematics are a valuable, relatively unbiased tracer of the dynamics of the region. Chemical abundance variations may also be traced by PNe to place constraints on chemodynamical models of the Galaxy. On much smaller scales their central stars (CSPN) are a powerful window into the poorly understood later stages of binary stellar evolution. The capacity of PNe to perform these studies is critically dependent on the size of the population. The current Galactic population of PNe was recently doubled by the Macquarie/AAO/Strasbourg Halpha (MASH) PNe catalogue. A supplement to MASH, the MASH-II catalogue, is presented with more than 360 new Galactic PNe found after a thorough search of all 233 AAO/UKST SuperCOSMOS Halpha Survey fields in digital format. Novel semi-automated data processing and multi-wavelength visualisation techniques are developed to maximise the sensitivity of the search. MASH-II PNe are notable for being either small, star-like PNe of relatively high surface brightness, or very large, extremely low surface brightness PNe. Over 90% of the catalogue is confirmed spectroscopically during extensive observing campaigns and the catalogue is available via the vizier catalogue service at the Centre de Donn\'ees Astronomiques de Strasbourg (CDS). This thesis is based on the exploitation of the MASH and MASH-II PNe catalogues that have provided the largest and most representative sample of PNe towards the Galactic bulge. This offers a unique opportunity to contribute towards two different, largely unexplored research domains: (i) The kinematics of the bulge, and (ii) The role of binary central stars of PNe. Radial velocities of hundred of Pne towards the Bulge were measured from ANU 2. 3-m longslit spectroscopy and from deep spectroscopy conducted with the AAT 2dF/AAOmega and VLT FLAMES multi-object spectroscopy facilities. Multiple measurements were recorded for many PNe resulting in a more accurate catalogue of about 1200 PNe within the longitude smaller than 30° region reaching a very high completeness of 95%. The kinematic study enabled a slope of 104 km/s/kpc for the rotation curve of the bulge that is in excellent agreement with 100 km/s/kpc determined from M-giants. General kinematic profiles were calculated and compared well with other tracer populations to bring new constraints on a dynamical model of the bulge. A completely new and powerful approach is conceived to discover large numbers of binary CSPN. The concept was employed to analyse the time-series photometry of nearly 300 Galactic bulge PNe from the OGLE-III microlensing survey. A total of 21 periodic binary CSPN candidates were found after careful elimination of 27 PN mimics identified using deep spectroscopy. The orbital period distribution is dominated by periods less than one day which indicates these binaries must have been produced via the common-envelope (CE) phase of binary stellar evolution. These discoveries have effectively doubled the population of close binary CSPN whose potential in advancing our knowledge of CE evolution has yet to be realised. Gemini GMOS spectroscopy of the 14 members of the OGLE sample produces 10 bona fide binary CSPN, 2 likely binary CSPN and 2 unlikely associations. There remains three candidates in the centre of small nebulae which leave little doubt of their bona fide status pending future spectroscopy, while four other candidates lie in larger nebulae awaiting confirmation. Cool giant companions are revealed in at least two binary CSPN and in one instance UV photometry proves the existence of the primary invisible in the optical spectrum. This suggests cool central stars may be more common than previously thought and more exotic scenarios explaining their presence can be ruled out. The observed orbital period distribution is found to be biased towards shorter periods than predicted by CE population synthesis models. Only one model in the literature matches the distribution reasonably well, but more recent models could not reproduce its predictions. A close binary fraction of at least 10--20% is estimated for PNe. After consideration of selection effects and other limitations of the survey, our estimate is found to be more robust than the previous estimate obtained from previous a survey conducted over 20--30 years with uncertain biases. Of particular interest is elucidating the role of binarity in the shaping of nebular morphologies. The close binary fraction imposes that at least 10--20% of PNe have been heavily shaped by a close companion, however no clear morphological properties have been identified amongst PNe with close binary CSPN. Nearly 30% of a carefully selected sample of 30 post-CE nebulae are found to have canonical bipolar morphologies. A very plausible bipolar fraction of at least 60% is reached once the inclination and other effects are considered. This is the strongest indication yet that the morphologies of post-CE nebulae largely satisfy theoretical expectations of a high density contrast established during the CE phase. Low ionisation structures (LIS) are common amongst post-CE nebulae suggesting they have a binary origin. LIS seem confined to either the orbital plane as radially distributed knots or filaments, or to the polar regions as (mostly) low surface brightness jets triggered by a dynamo effect. A binary origin may also be responsible for LIS around emission-line nuclei whereby one or more CE phases created the identifiable morphology and dual-dust chemistry. A likely binary formation scenario for LIS includes the distribution of neutral clumps of dust and H2 during the CE phase into the orbital plane that are then photo-ionised by winds during the PN phase. If the binary scenario holds then Nitrogen abundances for PNe with LIS would be rendered meaningless since the [NII] emission observed is not a result of enriched stellar material, but rather reflects shocked emission generated with models that assume standard abundances.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XI-204 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 154-162

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2009;0166
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