doctoralThesis
Excesso infravermelho e discos de detritos em estrelas do aglomerado M67
Registro en:
BRITO, Francisco de Assis Chaves de. Excesso infravermelho e discos de detritos em estrelas do aglomerado M67. Orientador: José Renan de Medeiros. 2021. 83f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021.
Autor
Brito, Francisco de Assis Chaves de
Resumen
The search for circumstellar material orbiting different star families is one of the most studied
topics in Stellar Astronomy, mainly because the presence of this material indicates the existence
of exoplanets. In addition, their physical properties can tell us how much a planetary system may
resemble the Solar System, indicating how this system may evolve. Current studies show the presence of circumstellar material with temperatures close to those found in the asteroid belt of the
Solar System, but with widely varying dimensions and compositions. Although most studies of
circumstellar dust and disks reveal that this material tends to disappear for stellar ages exceeding
300-400 million years, there are research showing that debris disks can be found orbiting stars with
ages on the order of the solar age, i.e., 4 to 5 billion years. The main objective of this doctoral
thesis is to search for debris disks that orbit stars of the Open Cluster M67, which is close to the age
of the Sun. From this point of view M67 Cluster may contain stars at different evolutionary stages
and may offer unique conditions to search for debris disks. It should be noted that this aspect offers
conditions to better understand how circumstellar debris disks evolve with age. This study adopted the strategy of searching for infrared excess in M67 stars, using observations collected by the
WISE Mission, which provides fluxes at wavelengths corresponding to the bands 3.3, 4.7, 12 and
22 µm. The diagnostics to identify the excess in M67 stars compared the spectral distributions of
energy, built from theoretical models, and observational fluxes obtained at different wavelengths,
extending from about 0.5 to 22 µm, covering observations made by the Gaia Mission, 2MASS Project and WISE Mission. From an initial sample of 1520 stars, members of M67, 1380 stars were
identified, presenting observations at WISE wavelengths 3.3, 4.7, 12 and 22 µm, defined as bands
W1, W2, W3 and W4 respectively. These stars with WISE measurements also showed observations in the G, GRP and GBP bands of Gaia, as well as in the J, H and K bands of 2MASS. From
the sample of 1380 stars, three objects designated J085103.24+114547.3, J085202.94+105932.7
and J085116.70+114529.6 show excesses with physical meaning (SNR > 3), absence of contamination by other sources or artifacts and circular images. These results point to a fraction of 0.2%
of M67 stars with an excess at 22 µm, a value far below that cited in the literature for stars on the
order of or with greater ages than the solar age, which is about 4%. Considering that this excess
is associated with the presence of circumstellar material, defined as debris disk, we used standard
models to estimate the physical parameters associated with the disks: luminosity fraction, radius,
mass and temperature. Although the temperatures of the material, between 225 and 300 K, are
on the order of the temperatures known for the solar Zodiacal Cloud, the values obtained for the luminosity fraction and the mass, respectively 104
and 105
times higher than the Zodiacal Cloud
values, show that the material around the stars J085103.24+114547.3, J085202.94+105932.7 and
J085116.70+114529.6 is brighter and denser than what is expected at the age of M67. Such material must also be composed of second-generation dust and debris and no longer be composed
of material from the planetary formation phase. This unusual characteristic, that is, brighter and
denser material, seems to indicate the presence of one or more replenishment mechanisms in these
regions, through violent collisions between asteroids, planetesimals and planets. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A busca por material circunstelar, orbitando diferentes famílias de estrelas é hoje um dos tópicos
mais estudados em Astronomia Estelar, sobretudo porque a presença desse material é um sólido
indicativo da existência de exoplanetas. Além disso, suas propriedades físicas podem informar o
quanto um sistema planetário pode se parecer com o Sistema Solar, indicando como este sistema
pode evoluir. A literatura atual mostra a presença de material circunstelar com temperaturas próximas àquelas encontradas no cinturão de asteroides do Sistema Solar, porém com dimensões e
composições bastante variadas. Enquanto a maioria dos estudos sobre poeira e discos circunstelares revela que tal material tende a desaparecer para idades estelares superiores a 300-400 milhões
de anos, algumas pesquisas mostram que discos de detritos podem ser encontrados orbitando estrelas com idades da ordem da idade solar, ou seja, 4 a 5 bilhões de anos. O objetivo central desta
Tese é a busca por discos de detritos orbitando estrelas do aglomerado estelar aberto M67, que
tem idade próxima à idade do Sol. Nessa perspectiva, o aglomerado M67 pode conter estrelas
em diferentes estágios evolutivos e oferecer condições únicas para a busca por discos de detritos.
Frise-se que tal aspecto nos oferece condições para melhor entendermos como discos de detritos circunstelares evoluem com a idade. A estratégia do presente trabalho consistiu na busca de
excesso no infravermelho em estrelas de M67, usando observações coletadas pela missão WISE,
que oferece fluxos nos comprimentos de onda 3,4, 4,7, 12 e 22 µm. O diagnóstico para identificação do excesso consistiu na comparação entre distribuições espectrais de energia, construídas a
partir de modelos teóricos, e fluxos observacionais obtidos em diferentes comprimentos de onda,
estendendo-se de 0,5 a 22 µm, cobrindo observações feitas pela missão Gaia, projeto 2MASS e
missão WISE. A partir de uma amostra inicial de 1520 estrelas, consideradas membros de M67,
foram identificadas 1380 estrelas, apresentando-se observações nos comprimentos de onda WISE
3,4, 4,7, 12 e 22 µm, definidas como bandas W1, W2, W3 e W4, respectivamente. As referidas estrelas com medidas WISE também apresentaram observações nas bandas G, GRP e GBP
do Gaia, bem como nas bandas J, H e K do 2MASS. Da amostra de 1380 estrelas, três objetos,
quais sejam, J085103.24+114547.3, J085202.94+105932.7 e J085116.70+114529.6, mostram excessos com sentido físico (razão sinal-ruido > 3), ausência de contaminação por outras fontes ou
artefatos e imagens circulares. Esses resultados apontam para uma fração de 0,2% de estrelas de
M67 com excesso em 22 µm, um valor bem abaixo daquele citado na literatura para estrelas com
idades da ordem ou superiores à idade solar, cerca de 4%. Considerando que tal excesso é associado à presença de material circunstelar, definido como disco de detritos, usamos modelos padrões para estimar os seguintes parâmetros físicos associados aos discos: fração de luminosidade, raio,
massa e temperatura. Apesar das temperaturas do material, entre 225 e 300 K, serem da ordem
das temperaturas conhecidas para a Nuvem Zodiacal solar, os valores obtidos para a fração de
luminosidade e a massa, respectivamente, 104
e 105 vezes superiores aos valores da Nuvem Zodiacal, mostram que o material em torno das estrelas J085103.24+114547.3, J085202.94+105932 .7
e J085116.70+114529.6 é bem mais luminoso e denso do que aquilo esperado na idade de M67.
Tal material observado deve também ser composto por poeira e detritos de segunda-geração, e não
mais por material proveniente da fase de formação planetária. Esta característica incomum, ou seja
material muito denso e luminoso, parece indicar a presença de um ou mais mecanismos de reabastecimento de material, nessas regiões, através de colisões violentas entre asteroides, planetesimais e planetas.