PradaMoroni pisa2013 web - Benvenuto · PDF file• Dario%Grasso% ... Tognelli ,%Prada...

39
From binary stars to the expanding Universe Pier Giorgio Prada Moroni Dipar&mento di Fisica “E. Fermi” INFN – Sezione di Pisa

Transcript of PradaMoroni pisa2013 web - Benvenuto · PDF file• Dario%Grasso% ... Tognelli ,%Prada...

From  binary  stars  to  the  expanding  Universe  

Pier  Giorgio  Prada  Moroni  Dipar&mento  di  Fisica  “E.  Fermi”  

INFN  –  Sezione  di  Pisa  

Permanent  staff  

•  Scilla  Degl’Innocen?  •  Anna  Nobili  •  Paolo  Paolicchi  •  Pier  Giorgio  Prada  Moroni  •  Steve  N.  Shore  

INFN  •  Dario  Grasso  

Non-­‐permanent  staff  

•  MaDeo  Dell’Omodarme  •  Emanuele  Tognelli  

•  Giada  Valle  

Research  

•  Stellar  physics  •  Galac?c  structure  and  evolu?on  

•  Interstellar  medium  

•  Planetary  /  Extrasolar  

•  High  energy  astrophysics  

Distance  measurements  

•  Structure,  dimension  and  expansion  history  of  the  Universe  

•  Structure,    dimension  and  luminosity  of  astronomical  objects    

•  Ages  

•  Test  of  theore?cal  models  

Distance  measurements  •  Very  difficult,  indirect,  and  not  very  precise  

•  Only  informa?on  on  posi?on  and  brightness  

•  Geometric  techniques  limited  to  nearby  objects  

•  Distance  ladder:  from  geometrically  measured  distances  for  nearby  stars  to  the  far  universe  via  mul?ple  overlapping  steps  

•  Standard  candles  

Classical  Cepheids    

•  1908-­‐1912:  HenrieDa  LeaviD  

•  25  Cepheids  in  SMC  

•  Period-­‐Luminosity  rela?on  

LeaviD  &  Pickering  1912  (Harvard  Coll.  Obs.  Cir.,  173,  1)  

Extragalac?c  distances  

•  6/10/1923:  Edwin  Hubble  discovered  the  first  Cepheid  in  M31  

•  The  Great  Debate  was  defini?vely  seDled:  Andromeda  lies  beyond  our  galaxy  

•  The  Universe  became  much  bigger   V1  in  Andromeda  

Extragalac?c  distances  

•  Hubble’s  Law  (1929-­‐1931)  

                           v  =  H0  d  

•  Distancy  of  nearby  galaxies  

Hubble  1929  (Proc.  Nat.  Acad.  Sci.  USA,  15,  168)  

Extragalac?c  distances  

•  The  Universe’s  expansion  is  accelera3ng  (Riess  et  al.  1998,  PerlmuOer  et  al.  1999)  

•  Nobel  Prize  2011:  S.  PerlmuDer,  B.  Schmidt,  A.  Riess      

Classical  Cepheids    

•  The  main  primary  distance  indicator  

•  Visible  up  to  30  Mpc  

•  Used  to  calibrate  cosmological  standard  candles  

•  Hubble  constant  H0  

Large  Magellanic  Cloud  

•  the  first  rung  of  the  extragalac?c  distance  ladder  

•  Many  different  stellar  distance  indicators  

•  Several  thousands  of  Cepheids    

•  The  slope  of  the  PL  rela?on  is  both  sta?s?cally  and  systema?cally  well  determined      

Classical  Cepheids    

Large  Magellanic  Cloud  

•  The  zero  point  of  the  PL  rela?onship  would  be  determined  once  the  LMC  distance  is  known  

•  Many  different  measurement  techniques  

Large  Magellanic  Cloud  

Schaefer  2008  (AJ,  135,  112)  μ=  -­‐5  +  5  log  d  (pc)  

Double-­‐lined  eclipsing  binaries  

Provide  a  class  of  distance  indicators:    

•  direct  and  simple  

•  very  accurate        

Paczynski  1997  

Double-­‐lined  eclipsing  binaries  

The  analysis  of:  

•  the  light  curve    •  the  radial  velocity  

•  Purely  geometrical  determina?on  of  R   Credit:  ESO/L.  Calçada  

Double-­‐lined  eclipsing  binaries  

•  For  late-­‐type  stars  an  accurate  (2%)  empirical  surface  brightness  color  rela?onship  

•  From  (V-­‐K)  

•  Surface  brightness  Sv  

•  angular  diameters  

Credit:  ESO/L.  Calçada  

Double-­‐lined  eclipsing  binaries  

From:  

•  linear  radii  R1  and  R2  •  angular  diameters  

•  distance  

Credit:  ESO/L.  Calçada  

Double-­‐lined  eclipsing  binaries  

Difficul?es:  

•  The  common  late-­‐type  dwarfs  are  too  faint  in  LMC  •  The  late-­‐type  giants  are  very  rare  •  The  very  long  period  binaries  are  difficult  to  iden?fy      

•  Very  large  stellar  database  •  Observa?ons  over  very  long  ?me  scale    

Eclipsing  binaries  in  LMC  

OGLE  Collabora3on  

•  Database  3.5  107  stars  in  the  LMC  field  

•  16  yr  of  observa?ons  

ARAUCARIA  Project  •  8  long  period  (60-­‐772  d),  

late-­‐type,  double  lined  EBs  

Pietrzynski,  et  al.  2013  (Nature  495,  76)  

Eclipsing  binaries  in  LMC  

Pietrzynski,  et  al.  2013  (Nature  495,  76)  

OGLE-­‐LMC-­‐ECL06575  

Eclipsing  binaries  in  LMC  

•  LMC  distance  accurate  at  2.2%    

•  H0  accurate  at  3%  Pietrzynski,  et  al.  2013  (Nature  495,  76)  

49.97  ±  0.19  (stat)  ±  1.11  (sys)  Kpc  

Magellan  Clay  Telescope  (6.5  m),  Las  Campanas  

18.493  ±  0.008  (stat)  ±  0.047  (sys)  mag  

Double-­‐lined  eclipsing  binaries  

•  Accurate  determina?on  of  stellar  parameters:  M,  R,  L,  Te      

•  Severe  test  for  theore?cal  models  

Theory/Observa?ons  

OGLE  Collabora3on  

•  First  detec?on  of  a  Cepheid  in  a  well  detached,  double-­‐lined  eclipsing  binary  system  

•  Mass  determina?on  with  the  unprecedented  precision  of  1%    

LMC  OGLE  CEP  0227  

Pietrzynski,  et  al.  2010  (Nature  488,  542)  

Prada  Moroni,  et  al.  2012  (Astrophysical    Journal  749,  108)  

Theory/Observa?ons:  OGLE  CEP0227    

•  the  most  probable  solu?ons  were  obtained  by  using  the  models  with  βov=0.2  and  η=0.4  

•  Primary  (Cepheid)  M  =  4.14+0.04-­‐0.05  Mo    

•  Secondary  M  =  4.15+0.04-­‐0.05  Mo    

•  agreement  at  the  1%  level  with  dynamical  mass  measurements.    Prada  Moroni,  et  al.  2012  

(Astrophysical  Journal  749,  108)  

RR  Lyrae  

•  Variable  stars  in  the  He-­‐burning  phase  •  Accurate  distance  indicators  •  Much  fainter  than  classical  Cepheids  

•  Not  visible  beyond  the  Local  Group  •  Crucial  tests  for  consistency  of  zero  points  

OGLE  RRLYR02792    •  First  RR  Lyrae  observed  in  an  

eclipsing  binary  •  M=  0.261  ±  0.015  Mo  

•  Can  not  be  an  He-­‐burning  star,  as  classical  RR  Lyrae    

             (Prada  Moroni  &  Straniero  2009,                    Astronomy  &  Astrophysics  507,  1575)  

•  Discovered  a  new  class  of  stellar  variable  

Pietrzynski,  et  al.  2012  (Nature  484,  75)  

Interpreta?on  of  observa?ons:  OGLE  RRLYR02792    

Credit:  Janusz  Bogucki  

Interpreta?on  of  observa?ons:  OGLE  RRLYR02792    

•  Ini?al  binary  system    M1=  1.4  Mo  and  M2=  0.8  Mo  

orbi?ng  with  P=  2.9  d  •  Aqer  5.4  Gyr,  P=  15.9  d  and  

M1=0.268  Mo,  M2=  1.665    

Pietrzynski,  et  al.  2012  (Nature  484,  75)  

Stellar  models  

They  are  indispensable  tools  in  many  astrophysical  research  areas,  since  they  allow  to:  

•  understand  the  structure  and  evolu?on  of  stars  •  assign  ages  and  masses  to  the  observed  stars  

•  infer  vital  informa?on  (SFR  and  IMF)  about    complex  stellar  systems,  as  clusters  and  galaxies  

•  derive  cosmological  parameters        

Pisa  Stellar  Models  Database  Pre-­‐MS  Database:      •  11653  evolu?onary  tracks  (M=0.2-­‐7  Mo)  

•  9756  isochrones  (1-­‐100  Myr)  

•  20  metallicity  values  (Z=0.0001  –  0.03)  

•  3  helium  abundance  values  

•  2  deuterium  abundance  values  

•  3  mixing-­‐length  values  (1.2,  1.64,  1.9)  

Tognelli,  Prada  Moroni,  Degl’Innocen?  2011  (Astronomy  &  Astrophysics  533,  109)  

Theory/Observa?ons    

Gennaro,  Prada  Moroni,  Tognelli  2012  (MNRAS  420,  986)  

Pisa  Stellar  Models  Database  Low-­‐mass  Database:    •  32646  evolu?onary  tracks  (M=0.3-­‐1.1  Mo)  

•  9720    isochrones  (8-­‐15  Gyr)  •  216  chemical  composi?ons    

•  20  metallicity  values  (Z=0.0001  –  0.01)  

•  5  helium  abundance  values  

•  2  heavy-­‐element  mixtures  

•  3  mixing-­‐length  values  (1.7,  1.8,  1.9)  Dell’Omodarme,  Valle,  Degl’Innocen?,  Prada  Moroni  2012  (Astronomy  &  Astrophysics  540,  26)  

Pisa  Stellar  Models  Database  

Physical  uncertain?es  in  stellar  models  

By   simultaneously   varying   the   main   input  physics,   we   obtained   the   first   es3mate   of   the  cumula?ve  theore?cal  uncertainty  affec?ng:  

•  M=0.9  Mo  track:  2187  perturbed  models  

•  12  Gyr  isochrone:  567  perturbed  isochrones  

Physical  uncertain?es  in  stellar  models  

Valle,  Dell’Omodarme,  Prada  Moroni,  Degl’Innocen?  2013  (Astronomy  &  Astrophysics,  549,  50)  

First  error  stripe  associated  to  a  theore?cal  stellar  track  

Physical  uncertain?es  in  stellar  models  

Valle,  Dell’Omodarme,  Prada  Moroni,  Degl’Innocen?  2013  (Astronomy  &  Astrophysics,  549,  50)  

For  a  given  turn-­‐off  luminosity,  the  inferred  age  varies  in  a  range  of    ≈  ±0.375  Gyr  

Thanks