Fyzika horkých hvězd

Hvězdokupa R136 uvnitř mlhoviny Tarantula (30 Doradus) ve Velkém Magellanově oblaku obsahuje celou řadu z těch nejhmotnějších a nejzářívějších hvězd, jaké známe. Kredit: NASA/ESA

Výzkum pracovní skupiny, kterou vede Michaela Kraus, je dominantně zaměřen na studium hmotných horkých hvězd. Přesněji řečeno, dlouhodobé specifické zaměření na Be-hvězdy a hvězdy s obálkou ve dvojhvězdných systémech bylo rozšířeno na studium horkých hmotných hvězd v různých stadiích vývoje a v současnosti se jedná o hlavní výzkumné téma celé skupiny.

V rámci svého výzkumu se skupina mimo jiné zaměřuje na zářivé horké hvězdy spektrálních typů B- a O-, hmotné hvězdy v přechodné fázi vývoje (například Wolf-Rayetovy hvězdy), zářivé modré proměnné hvězdy (Luminous Blue Variables, LBVs), modré superobry (Blue Supergiants, BSGs), B[e] superobry (B[e]SGs), žluté hyperobry (Yellow Hypergiants, YHGs) a rudé superobry (Red Supergiants, RSGs). Studované objekty mohou být buď osamocené nebo tvoří složku dvojhvězdy či vícenásobného systému.

Skupina se dále zaměřuje na pozorovací a teoretický výzkum chemických procesů a dynamiky hmoty v okolí vyvinutých hmotných hvězd (v pozdních stádiích vývoje).

Výzkum hmotných hvězd je doplněn studiem hvězd o nízké hmotnosti v pozdních stádiích vývoje, přesněji bílých trpaslíků, podtrpaslíků, kataklyzmických proměnných hvězd a v současnosti též proměnných typu RR-Lyrae. Skupina provádí také teoretický výzkum orientovaný na modelování hvězdných atmosfér s přirozeným zaměřením na hmotné horké hvězdy. Využívá k tomu model NLTE (nepředpokládající lokální termodynamickou rovnováhu) hvězdných atmosfér a hvězdného větru.

Skupina se rovněž zapojena do výzkumu v astroinformatice, snaží se vyvinout nové metody a nástroje, které by umožnily efektivně pracovat s exponenciálně vzrůstajícím množstvím dat v astronomii.

VÝZKUMNÁ TÉMATA SKUPINY

  • hvězdné atmosféry a hvězdný vítr, jejich modelování
  • hmotné hvězdy v krátkých přechodových fázích vývoje
  • podtrpaslíci
  • astroinformatika (práce s rozsáhlými datovými archivy)

ČLENOVÉ SKUPINY

Hvězdné atmosféry, hvězdný vítr a jejich modelování

Orionův pás s mlhovinou Plamínek (vlevo) a mlhovinou Koňská hlava (vlevo dole). Kredit: Digitized Sky Survey, ESA/ESO/NASA FITS

Teoretický výzkum v tomto oboru je primárně zaměřen na vývoj sofistikovaných kódů popisujících hvězdné atmosféry, modely hvězdného větru a studium fyzikálních mechanismů, které řídí různé procesy ve hvězdách a jejich okolí. Jedním z hlavních úkolů výzkumu, který vede Jiří Kubát, je poskytnout vylepšené odhady ztrát hmoty u hmotných hvězd s použitím vlastního pokročilého modelu hvězdné atmosféry (ATA code) a hvězdného větru včetně prostorových (3-D) jevů (jakými jsou nesféričnost a nehomogenity hvězdného větru).

Další výzkumné aktivity jsou zaměřeny na vývoj kódů, které umožňují spočítat odpovídající spektra v různých rozsazích vlnových délek a která mohou být přímo porovnána s pozorováním. Na základě takového srovnání je možné odvodit relevantní hodnoty parametrů hvězd a hvězdného větru, a především rychlost ztráty hmoty u hmotných hvězd v různých stádiích vývoje a s různou metalicitou (obsahem těžších prvků). Správná hodnota popisující ztrátu hmoty je jedním z hlavních parametrů modelování hvězdného vývoje.

Kromě vývoje vlastních kódů jsou členové skupiny rovněž zběhlí v použití podobných kódů pro hvězdné atmosféry a hvězdný vítr jiných autorů (e.g., TLUSTY, SYNSPEC, PoWR a CMFGEN) stejně jako kódů popisujících hvězdný vývoj (MESA) pro kvalitativní hvězdnou spektroskopii a analýzu různých typů hvězd.

VYBRANÉ PUBLIKACE

  • New mass-loss rates of B supergiants from global wind models, Krtička J.; Kubát J.; Krtičková I.; 2020, Astron. Astrophys, submitted
  • Low-metallicity massive single stars with rotation. II Predicting spectra and spectral classes of TWUIN stars, Kubátová, B.; Szícsi, D.; Sander, A.A.C.; Kubát, J.; Tramper, F.; Krtička, J.; Kehrig, C.; Hamann, W.-R.; Hainich, R.; Shenar, T.; Astron. Astrophys., 2019, 623, A8
  • Global hot star wind models for stars from Magellanic Clouds, Krtička J.; Kubát J., 2018, Astron. Astrophys. 612, A20
  • Comoving frame models of hot star winds II. Reduction of O star wind mass-loss rates in global models, Krtička J.; Kubát J., 2017, Astron. Astrophys. 606, A31
  • Stellar wind models of subluminous hot stars ,Krtička, J.; Kubát, J.; Krtičková, I., 2016, Astron. Astrophys. 593, A101
  • X-ray irradiation of the winds in binaries with massive components, Krtička, J.; Kubát, J.; Krtičková, I., 2015, Astron. Astrophys. 579, A111
  • Macroclumping as solution of the discrepancy between H α and P v mass loss diagnostics for O-type stars, Šurlan, B.; Hamann, W.-R.; Aret, A.; Kubát, J.; Oskinova, L. M.; Torres, A. F.; 2013, Astron. Astrophys, 559, A130
  • Three-dimensional radiative transfer in clumped hot star winds. I. Influence of clumping on the resonance line formation, Šurlan, B.; Hamann, W.-R.; Kubát, J.; Oskinova, L. M.; Felmeier, A.; 2012, Astron. Astrophys, 541, A37
  • Spherically symmetric NLTE model atmospheres of hot hydrogen-helium first stars“, Kubát J.; 2012, Astrophys. J. Suppl. Ser., 203, 20
  • NLTE models of line-driven stellar winds I. Method of calculation and first results for O stars, Krtička J.; Kubát J.; 2004, Astron. Astrophys. 417, 1003-1016

Hmotné hvězdy v krátkých přechodových fázích vývoje

Mlhovina M1-67 kolem Wolf-Reyetovy hvězdy WR124. Kredit: ESA/Hubble & NASA

Jednou z dalších oblastí zájmu skupiny je výzkum hmotných hvězd v krátkých přechodových fázích vývoje. Tyto fáze se rozdělují na různé hvězdné třídy: WR stars, LBVs, BSGs, B[e]SGs, YHGs a RSGs. Během všech těchto vývojových fází hvězdy jeví známky vysoce dynamických atmosfér či obálek a odvrhují značné množství hmoty často v sérii mohutných erupcí (explozí). Vyvržená hmota se hromadí buď v disku či obálce kolem hvězdy, případně vytváří mlhovinu (kterou podle struktury můžeme popsat jako unipolární, bipolární nebo multipolární).

Výzkum hmotných hvězd v přechodových fázích vývoje vede Michaela Kraus a je zaměřen na vývoj metod vhodných k zjišťování ztrát hmoty u tohoto typu hvězd a ke zkoumání chemického jejich vývoje, struktury a dynamiky vyvrženého materiálu. Znalost množství hmoty, jaké hvězdy ztrácí v každé fázi svého života, má zásadní význam pro spolehlivou předpověď dalšího vývoje a průběhu závěrečných fází života hmotných hvězd.

Členové skupiny se dále zabývají studiem fyzikálních mechanismů, které mohou vést ke ztrátě hmoty a spustit erupci (explozi), stejně jako analyzují chemické složení, 3-D strukturu a dynamiku výronů hmoty, aby odhalili historii ztrát hmoty u hmotných hvězd v přechodných fázích vývoje.

Skupina kombinuje výsledky teoretických modelů s informacemi získanými pozorováním. Data v optické, infračervené a rádiové části části elektromagnetického spektra získávají pomocí dalekohledů o průměru 2 až 12 metrů, využívají zařízení Observatoře GEMINI (North, South), Observatoře Paranal (dalekohley ESO/VLT – Very Large Telescope), teleskopů APEX, Nordic Optical Telescope, Gran Telescopio de Canarias, Southern African Large Telescope, 2.2‑m MPI Telescope, 2.15‑m CASLEO Telescope a samozřejmě Perkův dalekohled v Ondřejově. Tato data jsou doplněna pozorováním získaným pomocí družicových observatoří – například Spitzer Space Telescope, Wide-field Infrared Survey Explorer, stejně jako fotometrickými údaji a světelnými křivkami pořízenými v rámci řady pozemních přehlídkových programů (např. AAVSO, ASAS).

VYBRANÉ PUBLIKACE

  • A Census of B[e] Supergiants, Kraus, M.; 2019, Galaxies, 7, 83
  • A new outburst of the yellow hypergiant star ρ Cas, Kraus, M.; Kolka, I.; Aret, A.; Nickeler, D. H.; Maravelias, G.; Eenmäe, T.; Lobel, A.; Klochkova, V. G.; 2019, MNRAS, 483, 3792-3809
  • On the evolutionary state of massive stars in transition phases in M33, Kourniotis, M., Kraus, M., Arias, M. L., Cidale, L., Torres, A. F.; 2018, MNRAS, 480, 3706-3717
  • New insights into the outflows from R Aquarii, Liimets, T.; Corradi, R. L. M.; Jones, D.; Verro, K.; Santander-García, M.; Kolka, I.; Sidonio, M.; Kankare, E.; Kankare, J.; Pursimo, T.; Wilson, P. A.; 2018, A&A, 612, A118
  • Wind and nebula of the M 33 variable GR 290 (WR/LBV), Maryeva, O.; Koenigsberger, G.; Egorov, O.; Rossi, C.; Polcaro, V. F.; Calabresi, M.; Viotti, R. F.; 2018, A&A, 617, A51
  • Resolving the circumstellar environment of the Galactic B[e] supergiant star MWC137 from large to small scales, Kraus, M., Liimets, T., Cappa, C. E., Cidale, L. S., Nickeler, D. H., Duronea, N. U., Arias, M. L., Gunawan, D. S., Oksala, M. E., Borges Fernandes, M., Maravelias, G., Curé, M., Santander-García, M.; 2017, AJ, 154, 186
  • On the nature of high reddening of Cygnus OB2 #12 hypergiant, Maryeva, O. V.; Chentsov, E. L.; Goranskij, V. P.; Dyachenko, V. V.; Karpov, S. V.; Malogolovets, E. V.; Rastegaev, D. A.; 2016, MNRAS, 458, 491-507
  • Interplay between pulsations and mass loss in the blue supergiant 55 Cygnus = HD 198478, Kraus, M., Haucke, M., Cidale, L. S., Venero, R. O. J., Nickeler, D. H., Németh, P., Niemczura, E., Tomić, S., Aret, A., Kubát, J., Kubátová, B., Oksala, M. E., Curé, M., Kamiński, K., Dimitrov, W., Fagas, M., & Polińska, M.; 2015, A&A, 581, A75
  • Discovery of the first B[e] supergiants in M 31, Kraus, M., Cidale, L. S., Arias, M. L., Oksala, M. E., & Borges Fernandes, M.; 2014, ApJ, 780, L10
  • Probing the ejecta of evolved massive stars in transition. A VLT/SINFONI K-band survey, Oksala, M. E., Kraus, M., Cidale, L. S., Muratore, M. F., & Borges Fernandes, M.; 2013, A&A, 558, A17
  • A Three-dimensional View of the Remnant of Nova Persei 1901 (GK Per), Liimets, T.; Corradi, R. L. M.; Santander-García, M.; Villaver, E.; Rodríguez-Gil, P.; Verro, K.; Kolka, I.; 2012, ApJ, 761, 34

Podtrpaslíci

Planetární mlhovina ESO 577-24 s centrální hvězdou Abell 36 spektrálního typu sdO. Kredit: ESO/VLT.

Horcí podtrpaslíci tvoří podstatnou část skupiny málo hmotných hvězd. Tyto hvězdy procházejí krátkou fází vývoje, ve které spalují v jádře hélium, než se stanou bílými trpaslíky. Nacházejí se na hlavním průsečíku evoluční křižovatky HR diagramu mezi větví obrů a bílými trpaslíky, na ‚horkém‘ konci horizontální větve. Tyto kompaktní hvězdy převyšují bílé trpaslíky co do jasnosti a dominují populacím modrých hvězd s nízkou svítivostí v disku Galaxie. Na rozdíl od bílých trpaslíků mají horcí podtrpaslíci složitější strukturu a specifické vlastnosti, jejichž popis vyžaduje sofistikovanější modely, jakým je třeba NLTE spektrální analýza.

Výzkum v této oblasti se zaměřuje na spektroskopické studium horkých podtrpaslíků pomocí modelu atmosfér (TLUSTY NLTE) s cílem zpracovat všechna dostupná spektra a odvodit nezávislé atmosférické parametry. Postup rovněž musí obsahovat analýzu složených spekter dvojhvězd (obsahujících světlo dvou hvězd různého typu), jelikož řada známých pod trpaslíků je složkou dvojhvězdy. Pracuje se také na rozšířeních umožňujících zpracovat chemickou stratifikaci atmosfér a interakce složek s přenosem energie v blízkých, kompaktních dvojhvězdách. Chemická stratifikace je podstatná pro odvození přesné luminozitní funkci a rozdělení hmotností horkých subtrpaslíků, a zatímco interakce s přenosem energie jsou nazbytné pro stanovení hodnověrných podmínek panujících na rozhraní hvězdného povrchu pro seismické modely.

Člen skupiny Peter Neméth vytvořil webovou službu, která zpřístupnila spektrální analýzu a rozhraní pro atmosférické parametry horkých hvězd v pokročilé fázi vývoje rozsáhlejší komunitě uživatelů. Jedná se o službu, která představuje webové rozhraní pro klasický NLTE model/kód TLUSTY. Přestože všechny funkce jsou veřejné a dobře zdokumentované, jsou tyto výpočty složitým úkolem od teorie, přes informatiku a vyžadují specifické schopnosti. S pomocí rámce poskytovaného službou Astroserver může být tato procedura použita na uživatelské platformě k vytvoření výsledků vhodných k publikaci a to s relativně malým úsilím samotného uživatele. Rozhraní je rovněž navrženo tak, aby uživatelům pomohlo rychle zpracovat spektra, stejně jako studentům učinit první kroky v kvantitativní hvězdné spektroskopii a naučit se spektroskopii s pomoci TLUSTY kódu.

VYBRANÉ PUBLIKACE

  • Hot Subdwarf Stars Identified in Gaia DR2 with Spectra of LAMOST DR6 and DR7. II.Kinematics, Luo, Y.; Németh, P.; Li, Q.; 2020, AJ, 898, 64
  • Hot Subdwarf Stars Identified in Gaia DR2 with Spectra of LAMOST DR6 and DR7. I. Single-lined Spectra, Lei, Z.; Zhao, J.; Németh, P.; Zhao, G.; 2020, AJ, 889, 117
  • XTGRID Live: Online Spectral Analyses with TLUSTY Models, Nemeth, P.; 2019, ASP Conference Series, 519, 117
  • Composite hot subdwarf binaries – I. The spectroscopically confirmed sdB sample, Vos, J.; Németh, P.; Vučković, M.; Østensen, R.; Parsons, S.; 2018, MNRS, 473, 693
  • An unusual white dwarf star may be a surviving remnant of a subluminous Type Ia supernova, Vennes, S.; Nemeth, P.; Kawka, A.; Thorstensen, J. R.; Khalack, V.; Ferrario, L.; Alper, E. H.; 2017, Science, 357, 680
  • A selection of hot subluminous stars in the GALEX survey – II. Subdwarf atmospheric parameters, Németh, P.; Kawka, A.; Vennes, S.; 2012, MNRS, 427, 2180

Rozsáhle archivy a astroinformatika

Kredit: International AstroInformatics Association

Tato Část pracovní skupiny je zapojena do výzkumu, který se zaměřuje na zpracování rozsáhlých archivů astronomických dat a astroinformatiku, to je aplikací strojového učení a rozsáhlých datových analýz v astronomii, včetně projektu Virtual Observatory (VO). Výzkumné aktivity v této oblasti vede Petr Škoda a účastní se jich řada studentů z Fakulty informačních technologií ČVUT, Masarykovy university v Brně a z Technické univerzity v Ostravě.

Členové skupiny jsou aktivně zapojeni v přípravě nových standardů pro VO, především těch zaměřených na optickou spektroskopii a vývoj nových nástrojů pro VO. Aktivity jsou na národní úrovni organizovány v rámci Czech Virtual Observatory (CZVO) v těsné spolupráci s mezinárodním konsorciem International Virtual Observatory Alliance (IVOA). Hlavním úspěchem aktivit CZVO je dosažení kompatibility archivů hvězdných spekter pořízených pomocí Perkova dalekohledu a spektrografu LAMOST se standardem VO (VO-compatible archive) a také webová služba VO-KOREL, která umožňuje furierovské rozpletení spektra ve VO pomocí hojně využívané procedury KOREL.

ÚSPĚCHY V TÉTO OBLASTI

  • vývoj metod pro automatické hledání Be hvězd pomocí strojového učení v milionech světelných křivek, které byl rovněž zařazeny do postupů využívaných ke zpracování dat z družice GAIA v rámci programu Gaia CU7
  • vývoj cloudové infrastruktury pro strojové učení astronomických spekter
  • vývoj a implementace standardů IVOA, vývoj VO-kompatibilních aplikací, nastavení VO-kompatibilních archivů (spektra pořízená Perkovým dalekohledem a spektrografem CCD700 využívají SSAP protokol), archiv vzdáleně ovládaného dalekohledu DK154 (Danish 1,54‑m telescope, Observatory La Silla, ESO) pro fotometrii je postaven na standardu SIAP, SCS a nově vyvinutém protokolu pro časové série

Jedním z našich hlavních úspěchů je definice nového standardu IVOA pro časové série založené na datových kostkách, který byl prezentován na několika pracovních setkáních IVOA a publikován v cirkuláři IVOA note, a také modifikace široce využívaného kódu SPLAT‑VO pro spolupráci s tímto standardem.

VYBRANÉ PUBLIKACE

  • Active deep learning method for the discovery of objects of interest in large spectroscopic surveys, Škoda, P.; Podsztavek, O.; Tvrdík, P.; 2020, Astron. Astrophys, 643, A122
  • Knowledge Discovery in Big Data from Astronomy and Earth Observation, Škoda, P.; Adam, F.; 2020, Knowledge Discovery in Big Data from Astronomy and Earth Observation, 1st Edition. Edited by Skoda P. and Fathalrahman A., Elsevier, ISBN: 9780128191545
  • Identification of Artifacts and Interesting Celestial Objects in the LAMOST Spectral Survey , Škoda, P.; Shakurova, K.; Koza, J.; Palička, A.; 2019, ASPCS, 521, 402
  • Gaia Data Release 2. Summary of the variability processing and analysis results , Holl, B.; Koubsky, P.; Votruba, V.; and 60 more co-authors; 2018, Astron. Astrophys, 618, A30
  • Identification of Interesting Objects in Large Spectral Surveys Using Highly Parallelized Machine Learning , Škoda, P.; Palička, A.; Koza, J.; Shakurova, K.; 2017, IAUS, 325, 180
  • Massively Parallel Machine Learning in the Virtual Observatory as a Key Technology in the Era of Multi-Million Spectral Surveys , Škoda, P.; 2017, ASI Conference Series, Edited by P. Coelho, L. Martins & E. Griffin, 14, 73-82
  • Time Series Cube Data Model, Nadvornik, J.; Škoda, P.; Morris, D.; Tvrdik, P.; 2017, IVOA Note 2017-12-15
  • The Distributed Cloud Based Engine for Knowledge Discovery in Massive Archives of Astronomical Spectra, Škoda, P.; Koza, J.; Palička, A.; Lopatovský, L.; Peterka, T.; 2017, ASPCS, 512, 689
  • Big Data Movement: A Challenge in Data Processing, Pokorný, J.; Škoda, P.; Zelinka, I.; Bednárek, D,; Zavoral, F., Kruliš, M.; Šaloun, P.; 2015, Springer Studies in Big Data, 9, 29
  • Spectroscopic analysis in the virtual observatory environment with SPLAT-VO , Škoda, P.; Draper, P. W.; Neves, M. C.; Andrešič, D.; Jenness, T.; 2014, Astronomy and Computing, 7, 108-120