Bolsa de PD em Astronomia Estelar

Post-doctoral fellowship in Stellar Astronomy

Nº: 1562

Área de conhecimento: Astronomia

Field of knowledge: Astronomy

Nº do processo FAPESP: 2011/51680-6

FAPESP process: 2011/51680-6

Título do projeto: Acompanhamento em Alta-Resolução pelo GMT de Estrelas Brilhantes Ultra-Pobres em Metais a partir de Fotometria Multi-Banda do S-PLUS

Project title: GMT High-Resolution Follow-up of Bright Ultra Metal-Poor Stars Identified from SPLUS Multi-Band Photometry

Área de atuação: Astronomia Estelar

Working area: Stellar Astronomy

Pesquisador responsável: Claudia Lucia Mendes de Oliveira

Principal investigator: Claudia Lucia Mendes de Oliveira

Unidade/Instituição: Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas / USP

Unit/Instituition: Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas / USP

Data limite para inscrições: 08/07/2017

Deadline for submissions: 2017-07-08

Publicado em: 11/05/2017

Publishing date: 2017-05-11

Localização: R. do Matão, 1226 - Butantã, São Paulo - SP, 05508-090

Locale: R. do Matão, 1226 - Butantã, São Paulo - SP, 05508-090

E-mail para inscrições: jrgodoy@usp.br

E-mail for proposal submission: jrgodoy@usp.br

  • Resumo Summary

    O objetivo principal deste projeto é encontrar estrelas ultra-pobres em metais na pesquisa multi-banda S-Plus. Estas candidatas serão em última instância observadas com o G-CLEF no GMT. O pós-doc estará altamente envolvido com extensos dados de levantamento e espera-se que contribua no esforço em disponibilizar os dados de pesquisa do S-Plus para a comunidade internacional.

    Motivação: As estrelas mais pobres em metais no Halo da Galáxia carregam importante informação sobre a formação e evolução inicial da química no Universo primordial, bem como na formação da Via Láctea. Em particular, acredita-se que estrelas ultra-pobres em metais (UMP; [Fe/H] < -4.0, e.g., Beers & Christlieb, 2005; Frebel & Norris, 2013) tenham sido formadas por nuvens de gás poluídas pelas produções químicas das primeiras estrelas formadas no Universo (População III) (Iwamoto et al., 2005). Também se reconhece que mais do que 80% das estrelas UMP observadas na Galáxia apresentem acréscimos em carbono (e.g., Lee et al., 2013; Placco et al., 2014a). Estes objetos são chamados Estrelas Pobres em Metais com Carbono Aumentado (CEMP - usando o critério [C/Fe] > +0.7 sugerido por Aoki et al., 2007).

    Estrelas UMP são intrinsecamente raras (Placco et al., 2015a) e podem ser apropriadamente classificadas por estudos espectroscópicos. Além disso, a maioria das estrelas UMP encontradas até agora são de brilho fraco, significando que há uma quantidade limitada de informação que pode ser medida. Neste contexto, precisamos achar exemplos brilhantes do tipo de fenômeno (baixa metalicidade e carbono aumentado) que desejamos abordar. Isto já foi feito para um número limitado de estrelas CEMP (e.g., Placco et al., 2014b, 2015b) e trabalho adicional é claramente necessário para suportar estudos teóricos (Umeda & Nomoto, 2005; Meynet et al., 2010; Nomoto et al., 2013).

    Objetivo: Propomos uma nova abordagem para identificar estrelas UMP e CEMP, baseada em fotometria de banda estreita a partir do S-Plus. Esta pesquisa tem um conjunto único de filtros, que são bem adequados para a seleção de estrelas de baixa metalicidade e também de carbono aumentado. A figura 1 mostra um exemplo de espectro de uma estrela CEMP, sobreposto com filtros obtidos de 3 diferentes pesquisas (áreas sombreadas). As linhas tracejadas verticais mostram características espectrais sensíveis à metalicidade (Ca II K), carbono (CH banda-G) e temperatura (H?). Conforme pode ser visto na figura, os filtros do S-Plus delineiam bem estas características, introduzindo menos contaminações de outras espécies químicas. A fim de fazer o melhor uso das 12 magnitudes medidas pelo S-Plus, implementaremos uma rede neural artificial (ANN), que é comumente usada em astronomia.  

    Conexão com o GMT: Uma vez que iremos identificar candidatas brilhantes UMP e CEMP com alta confiança, estas poderão ser diretamente usadas para alimentar programas espectroscópicos de alta resolução no GMT, sem a necessidade de confirmação de resolução média. Em particular, o Espectrógrafo Echelle Visível (G-CLEF) tem uma perfeita cobertura de comprimento de onda (de 350nm a 950nm) e resoluções espectrais (de 25,000 a 120,000) para determinações de abundâncias químicas. Para os alvos brilhantes (V<13), o modo de resolução mais alta permitirá a determinação de, por exemplo, razões isotópicas de elementos tais como bário e európio, que podem implicar importantes vínculos em modelos teóricos para a operação de processos de captura de nêutrons (Cescutti & Chiappini, 2014). Mesmo para os alvos mais fracos, as capacidades de coleta de luz do GMT permitirão estudos completos de abundância química de estrelas de baixa metalicidade dentro de razoáveis tempos de exposição.

    Plano de trabalho: A ANN tomará um conjunto de entradas (em nosso caso magnitudes S-Plus) para cada objeto, aplicará um conjunto de transformações não lineares e terá como saída um conjunto de parâmetros estelares de que podemos fazer uso (por exemplo, [Fe/H] and [C/Fe]). A ANN primeiramente deve ser treinada usando uma amostra onde a saída desejada é conhecida. Para o conjunto de treinamento, planejamos usar a base de dados pública do Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration (SEGUE-1; Yanny et al., 2009), sub-pesquisas do Sloan Digital Sky Survey (SDSS; York et al., 2000). Esta base de dados contém aproximadamente 350.000 espectros fluxo-calibrados observados com metalicidades e abundâncias em carbono conhecidas. Utilizando as curvas de resposta filtradas do S-Plus, podemos simular as magnitudes do S-Plus para cada objetivo e dividir a amostra em duas porções para o treinamento e validação da ANN.

    Publicações: Conforme apresentado no plano de trabalho acima, o resultado mais importante deste trabalho é o desenvolvimento de um critério eficiente de seleção para estrelas UMP e CEMP na pesquisa S-Plus. Isto posto, começaremos o acompanhamento espectroscópico das mais interessantes candidatas brilhantes do S-Plus, uma vez liberados os dados. Isto levará a várias publicações.

    Continuidade científica: Esta nova abordagem para identificar estrelas candidatas pobres em metal é um método de baixo custo e de alta eficiência, que pode ser estendido a outras pesquisas astronômicas subsequentes no futuro próximo. Os resultados deste projeto são duplos: (i) desenvolveremos um novo método para selecionar candidatas pobres em metal a partir da fotometria do S-Plus, a fim de gerar listas de candidatas interessantes a serem verificadas com espectroscopia de alta resolução; e (ii) melhorar estimativas atuais de metalicidades fotométricas. Para o acompanhamento espectroscópico, o GMT será importante recurso para estudos em alta resolução dos alvos mais interessantes.



    Figura:
    Painel superior: espectro estelar (notar a forte característica molecular CH, rotulada "banda-G", e a fraca característica de cálcio, rotulada "Ca II K") sobreposto com os filtros S-Plus. Painel do meio: comparação com filtros SDSS. Painel inferior: comparação com filtros SMSS. As linhas tracejadas verticais indicam importantes características espectrais para a identificação de estrelas UMP e CEMP.

     

    The main goal of this project is to find Ultra Metal-Poor Stars in the multi-band survey S-PLUS. These candidates will ultimately be observed with G-CLEF at GMT. The Post-doc will be highly involved with large survey data and is expected to contribute in the effort to make the data of the S-PLUS survey available to the international community.

    Motivation: The most metal-poor stars in the Galactic halo carry important information about the formation and early evolution of the chemistry in the early Universe, as well as in the assembly of the Milky Way. In particular, ultra metal-poor (UMP; [Fe/H] < -4.0, e.g., Beers & Christlieb, 2005; Frebel & Norris, 2013) stars are believed to be formed by gas clouds polluted by the chemical yields of the very first (Population III) stars formed in the Universe (Iwamoto et al., 2005). It has also been recognized that more than 80% of the observed UMP stars in the Galaxy present enhancements in carbon (e.g., Lee et al., 2013; Placco et al., 2014a). These objects are called Carbon-Enhanced Metal-Poor Stars (CEMP - using the criterion [C/Fe] > +0.7 suggested by Aoki et al., 2007).

    UMP stars are intrinsically rare (Placco et al., 2015a), and can only be properly classified by spectroscopic studies. In addition, most of the UMP stars found to date are faint, meaning there is a limited amount of information that can be measured. In this context, we need to find bright examples of the type of phenomena (low-metallicity and carbon-enhancement) we want to address. This has already been done for a limited number of CEMP stars (e.g., Placco et al., 2014b, 2015b), and additional work is clearly needed to support theoretical studies (Umeda & Nomoto, 2005; Meynet et al., 2010; Nomoto et al., 2013).

    Goal: We propose a novel approach to identify UMP and CEMP stars based on narrow-band photometry from S-PLUS. This survey has a unique set of filters, which are very well-suited to select low-metallicity and also carbon-enhanced stars. Figure 1 shows an example spectrum of a CEMP star, superposed with filters from three different surveys (shaded areas). The vertical dashed lines show spectral features that are sensitive to metallicity (Ca II K), carbon (CH G-band), and temperature (H?). As it can be seen from the Figure, the S-PLUS filters well-isolate these features, introducing less contaminations from other chemical species. To make the best use of the 12 magnitudes measured by S-PLUS, we will implement an artificial neural network (ANN), which is commonly used in astronomy.

    Connection with GMT: Since we will identify bright UMP and CEMP candidates with high confidence, these could be directly fed to high-resolution spectroscopic programs on the GMT, without the need of medium-resolution confirmation. In particular, the Visible Echelle Spectrograph (G-CLEF) has a perfect wavelength coverage (from 350nm to 950nm) and spectral resolutions (ranging from 25,000 to 120,000) for chemical abundance determinations. For the bright targets (V < 13), the highest-resolution mode will allow the determination of, e.g., isotopic ratios for elements such as barium and europium, which can place important constraints on theoretical models for the operation of neutron capture processes (Cescutti & Chiappini, 2014). Even for the fainter targets, the light collecting capabilities of GMT will allow complete chemical abundance studies of low-metallicity stars within reasonable exposure times.

    Working plan: The ANN will take a set of inputs (in our case S-PLUS magnitudes) for each object, apply a set of non-linear transformations, and output a set of stellar parameters that we can make use of (e.g., [Fe/H] and [C/Fe]). The ANN first has to be trained using a sample where the desired output is known. For the training set, we plan to use the public database from the Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration (SEGUE-1; Yanny et al., 2009), sub-surveys of the Sloan Digital Sky Survey (SDSS; York et al., 2000). This database contains roughly 350,000 observed flux-calibrated spectra with known metallicities and carbon abundances. By using the S-PLUS filter response curves, we can simulate the S-PLUS magnitudes for each target, and divide the sample into two portions for the training and validation of the ANN.

    Publications: As presented in the working plan above, the most important outcome from this work is the development of an efficient selection criterion for UMP and CEMP stars in the S-PLUS survey. With this in place, we will start the spectroscopic follow-up of the most interesting bright S-PLUS candidates, once the data is released. This will lead to several publications.

    Scientific continuity: This novel approach to identify metal-poor star candidates is a low cost, high-efficient method, which can be extended to other upcoming astronomical surveys in the near future. The outcomes of this project are a two-fold: (i) we will develop a new method to select metal-poor candidates from S-PLUS photometry, in order to generate lists of interesting candidates to be followed-up with high-resolution spectroscopy; and (ii) improve current estimates of photometric metallicities. For the spectroscopic follow-up, GMT will be an important resource for high-resolution studies of the most interesting targets.

    Figure: Upper panel: CEMP stellar spectrum (note the strong molecular CH feature, labeled "G-band", and weak calcium feature, labeled "Ca II K") superposed with the S-PLUS filters. Middle panel: comparison with SDSS filters. Lower panel: comparison with SMSS filters. The vertical dashed lines indicate important spectral features for the identification of UMP and CEMP stars.


    This opportunity is open to candidates of any nationalities. The selected candidate will receive a FAPESP's Post-Doctoral fellowship in the amount of R$ 6.819,30 monthly and a research contingency fund, equivalent to 15% of the annual value of the fellowship which should be spent in items directly related to the research activity. 

    More information about the fellowship is at: www.fapesp.br/en/5427.