Elemental abundances in the sun and late-type stars with hydrodynamical model atmospheres

• Auteur / Autrice : Elisabetta Caffau
• Direction : Hans-Günter Ludwig
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Sauty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hans-Günter Ludwig, Martin Asplund, Luca Pasquini, Lionel Bigot, Giuseppe Severino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martin Asplund, Luca Pasquini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie astronomique

Soleil

Abondances cosmiques

Étoiles froides

Mots clés libres

Etoiles de population II

Résumé

Cette thèse concerne la détermination spectroscopique des abondances des éléments dans les étoiles de type F-K. Un aspect important et en partie innovateur de ce travail a été l’utilisation de modèles d’atmosphère hydrodynamiques 3D calculés avec le code hydrodynamique CO5BOLD associé au code de synthèse spectrale 3D (Linfor3D). L’analyse des abondances a été généralement effectuée en supposant l’équilibre thermodynamique local (ETL). Toutefois, dans certains cas, des calculs non-ETL sont venus compléter l’analyse. Nous nous sommes particulièrement intéressés au Soleil et aux étoiles extrêmement pauvres en métaux. Pour ces objets nous avons en particulier discuté les différences systématiques entre les abondances obtenues à partir de modèles d’atmosphère hydrodynamiques et de modèles hydrostatiques standard (corrections 3D-1D). Dans le cas du thorium dans le Soleil et du lithium dans HD74000, nous avons identifié de nouveaux effets sur les corrections 3D- 1D. Ces effets sont liés au décalage de la raie, à son asymétrie et aux écarts à l’ETL que nous avons interprétés en détail. Les modèles d’atmosphère 3D calculés pour ce travail font maintenant partie de la grille “CIFIST” de modèles d’atmosphère 3D. Pour le Soleil nous avons déterminé les abondances photosphérique de Li, C, N, O, P, S, Eu, Hf, et Th. Sauf pour le thorium, les corrections 3D-1D sont généralement assez petites, et influent peu sur la teneur en métaux du soleil. Nous avons obtenu Z = 0:0154. Notre travail souligne le besoin d’un atlas solaire de qualité supérieure et de sections de choc avec l’hydrogène neutre plus précises. Dans les étoiles pauvres en métaux, les corrections d’abondance 3D-1D sont souvent grandes, en raison d’effets plus prononcés dans la structure thermique de la photosphère (refroidissement dû à l’“overshooting”). Une des plus grandes corrections 3D-1D concerne l’abondance de l’oxygène dans les composantes du système binaire très déficient en métaux CS 22876-032, abondance déterminée à partir des raies moléculaires de OH.

This thesis is about the determination of elemental abundances in late-type stars by spectroscopy. An important and in part innovative aspect of the presented work was the application of 3D hydrodynamical model atmospheres (calculated with the radiation-hydrodynamics code CO5BOLD) and associated 3D spectral synthesis (with Linfor3D) in the analysis process. The abundance analyses were generally performed under the assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE) but were accompanied by non-LTE studies in selected cases. Targets of our investigation were the Sun and extremely metal-poor stars for which abundances of elements of interest were derived, and discussed in view of systematic differences between values obtained from hydrodynamical and standard hydrostatic model atmospheres, so-called 3D-1D abundance corrections. For the case of thorium in the Sun and lithium in HD74000 we identified novel effects on the 3D-1D corrections. They are related to line shifts, line asymmetries, and departures from LTE which we interpreted in detail. Eventually, we contributed to the calculation of 3D model atmospheres becoming part of the CIFIST 3D model atmosphere grid. For the Sun, we determined the photospheric abundances of Li, C, N, O, P, S, Eu, Hf, and Th. Except for Th, 3D-1D corrections we found to be usually rather small, and not decisive for the ongoing discussion about the solar metal content for which we obtained Z = 0. 0154. Our investigations point to the need for solar atlases of higher quality and for constraining cross sections of collisions with neutral hydrogen more accurately. In metal-poor stars 3D-1D abundance corrections are often large due to the more pronounced gasdynamical effects on the photospheric temperature structure (cooling by convective overshooting). A striking case exhibiting large 3D-1D corrections was the oxygen abundance of the components of the binary system CS 22876-032 from OH molecular lines.