Endpoints of stellar evolution in association with star clusters

Mgr. Michal Prišegen, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Ve vesmíru se nachází množství zajímavých objektů. Nicméně, málokteré z nich posouvají hranice našeho chápaní fundamentální astrofyziky tak, jako kompaktní hvězdné objekty -- bílí trpaslíci, neutronové hvězdy a černé díry -- a poslední stádia hvězdného vývoje s nimi spojená. Mnoho už bylo zjištěno studiem těchto objektů v galaktickém poli. Avšak, nové možnosti výzkumu se nabízejí, když jsou tyto objekty asociovány s hvězdokupami a asociacemi. Ty představují skupiny hvězd se stejnou vzdáleností od pozorovatele, stářím, počátečním chemickým složením, mezihvězdnou extinkcí a kinematickými vlastnostmi v galaktickém kontextu. Jelikož i předchůdci kompaktních objektů sdíleli tyto vlastnosti, hvězdokupy a asociace mohou být užitečnými prostředky pro studium těchto objektů. Některé ze základních otázek spojených se závěrečnými fázemi hvězdného vývoje, které se tato práce snaží objasnit, jsou, kde leží hmotnostní hranice, která rozděluje hvězdy, které vybuchnou jako supernova od těch, které ne. Jak tato hranice závisí na chemickém složení hvězd a jejich binaritě? Jak ovlivňují exploze supernov vlastnosti vzniklých kompaktních objektů? Jaké množství materiálu se vrátí do okolního mezihvězdného prostoru po ukončení hvězdného vývoje? Rentgenové dvojhvězdy s hmotnou složkou -- obsahující vysoce hmotnou hvězdu a neutronovou hvězdu nebo černou díru -- mohou být použity pro studium výbuchů supernov ve dvojhvězdách, neboť jejich orbitální vlastnosti, vlastnosti primární a sekundární složky a pekuliární rychlosti uchovávají informace o výbuchu supernovy. Bylo zjištěno, že je u těchto objektů snížený výskyt čelních rázových vln a mlhovin v porovnání s jinými hvězdami raných spektrálních tříd s vysokou pekuliární rychlostí. Toto je zřejmě zapříčiněno nižším kinematickým stářím rentgenových dvojhvězd s hmotnou složkou v porovnání s hvězdami raných spektrálních tříd s vysokou pekuliární rychlostí. Rentgenové dvojhvězdy s hmotnou složkou jsou převážně vymrštěny z mateřské hvězdokupy až po výbuchu supernovy, tím pádem se většinou ještě stále pohybují v horkých a prázdných bublinách okolo mateřských hvězdokup, s nižší šancí pro vytvoření čelní rázové vlny nebo jiných mlhovin. Je tady také evidence toho, že podskupina rentgenových dvojhvězd s hmotnou složkou -- Be rentgenové pulsary -- sestávají ze dvou skupin s odlišnými pekuliárními rychlostmi. Toto může být přičteno dvěma rozličným mechanismům výbuchu supernov, který potom vytváří tyto dvě skupiny pulsarů. Také jsme identifikovali nové bíle trpaslíky v otevřených hvězdokupách a získali nové poznatky o množství hmoty navrácené do okolní mezihvězdné látky po ukončení hvězdného vývoje. Zjistili jsme, že v otevřených hvězdokupách chybí bílí trpaslíci s hmotností blížící se Chandrasekharově mezi.

Abstract:

There is a myriad of interesting objects across the Universe. However, few push our understanding of the fundamental astrophysics more than the compact stellar remnants -- white dwarfs, neutron stars, and black holes -- and the last stages of stellar evolution that create them. Much has already been achieved while studying these objects in the Galactic field. Nevertheless, more research avenues open if these objects can be studied in well-defined astrophysical environments, such as star clusters or associations. These are ensembles of stars with common distances, ages, initial chemical compositions, extinction, and overall kinematic properties in the Galactic context. Since the compact object progenitor also shared these common properties, star clusters and associations provide useful means of studying the compact stellar remnants, for which these quantities would be impossible or hard to derive with sufficient accuracy and precision if they were located in the Galactic field. This thesis attempts to shed some light on some of the most fundamental questions connected with the last stages of stellar evolution. One of them is where lies the stellar mass boundary that separates the regime where stars explode as supernovae from where they do not. How is this boundary affected by metallicity and binarity? How do supernova explosions influence the properties of the nascent compact remnants? How much matter is returned to the local interstellar medium after the end of a star's life? High-mass X-ray binaries -- containing a high-mass main sequence star and a neutron star or a black hole -- can be used to study supernova explosions in binaries, as the properties of the primary and the secondary, the orbital parameters, and the peculiar velocities retain a lot of information about the supernovae within these systems. It was discovered that there is a notable paucity of bow shocks and other nebulae around high-mass X-ray binaries as compared to other early-type stars with similarly large velocities (runaways). This is connected to high-mass X-ray binaries being probably kinematically younger than other early-type runaways, as they are generally getting ejected from their parent star clusters after the supernova event. Therefore, they are still moving within the hot and rarefied bubbles around star clusters, with a lower chance of forming observable bow shocks or other nebulae. There is also evidence that a subclass of high-mass X-ray binaries -- Be X-ray binaries -- consists of two groups with different peculiar velocities. This could be attributed to two different supernova mechanisms producing these two groups. We also identified new white dwarfs associated with open clusters. We studied their properties and obtained important constraints on how much matter is returned to the local interstellar medium by the end of stellar lives. We also noted an absence of massive cluster white dwarfs that approach the Chandrasekhar limit.

Keywords

Star clusters, Neutron stars, White dwarfs, High-mass X-ray binaries, bow shocks, circumstellar matter, X-ray pulsars, astrometry, Gaia, runaway stars, Hvězdokupy, Neutronové hvězdy, Bílý trpaslíci, Rentgenový dvojhvězdy s hmotnou složkou, čelné rázové vlny, okolohvězdná hmota, rentgenové pulzary, astrometrie, runaway hvězdy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 4. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2022
• Supervisor: doc. Ernst Paunzen, Dr.rer.nat
• Reader: prof. Lex Kaper, doc. Mgr. Ondřej Pejcha, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Astrophysics