The lithium-age relation: calibration with open clusters and associations

• Autores: Marta Lúthien Gutiérrez Albarrán
• Directores de la Tesis: David Montes Gutiérrez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 343
• Títulos paralelos:
  • La relación litio-edad: calibración con cúmulos abiertos y asociaciones
• Tribunal Calificador de la Tesis: Elisa de Castro Rubio (presid.) , Santi Roca Fàbrega (secret.) , José Antonio Caballero Hernández (voc.) , Emilio Javier Alfaro Navarro (voc.) , Elisa Delgado Mena (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    El litio es un elemento muy frágil que se destruye fácilmente en los interiores estelares. La abundancia superficial de litio disminuye lentamente con el tiempo en estrellas de tipo solar y estrellas poco masivas. Es por esta razón que el litio puede usarse para estudiar la evolución estelar, y es particularmente relevante a la hora de determinar la edad de cúmulos estelares. Las abundancias de litio (derivadas de la línea de Li en 6707.76 Å) observadas para estrellas de tipo tardío dependen fuertemente de la edad, pero también muestran un patrón complejo que depende de diferentes parámetros, desde la rotación, a la actividad cromosférica, la metalicidad, los mecanismos de mezcla, la estructura convectiva o la actividad magnética. La mejor forma de poder calibrar estos efectos es analizando en detalle conjuntos de estrellas de la misma edad, como los cúmulos abiertos y las asociaciones estelares.

    Este proyecto se ha desarrollado haciendo uso de los datos proporcionados por Gaia-ESO (GES), una gran exploración espectroscópica pública que proporciona una visión homogénea de la distribución de la cinemática y la estructura dinámica y química de la Galaxia. GES ha tomado datos de una gran cantidad de estrellas y de casi 100 cúmulos estelares, desde 2011 hasta 2018. Esta exploración usa el espectrógrafo multi-objeto FLAMES del Very Large Telescope (ESO, Chile) para obtener tanto espectros de alta resolución con UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph), como de resolución media con el espectrógrafo GIRAFFE.

    Como parte del nodo de GES de la UCM, en la primera etapa de este proyecto de tesis estuve realizando un extenso trabajo de medida de las anchuras equivalentes (la línea de Li I en 6707.76 Å y la línea adyacente de Fe I en 6707.43 Å) de los espectros de UVES, con vistas a la homogeneización del entonces cuarto lanzamiento de GES (iDR4). Para todo el análisis del proyecto, sin embargo, hemos actualizado todos los resultados haciendo uso del último lanzamiento de GES, iDR6, además de los datos proporcionados por Gaia EDR3.

    Esta tesis, titulada La relación litio-edad: Calibración con cúmulos abiertos y asociaciones, se enmarca dentro de un estudio a gran escala que hace uso de una serie de 42 cúmulos abiertos y asociaciones observados por GES, en un rango de edades desde 1 Myr a 5 Gyr, con el objetivo de estudiar el litio como indicador de edad para estrellas de tipos tardíos FGK en la pre-secuencia principal y secuencia principal, y de esta forma llegar a una calibración empírica de la relación Li-edad.

    Comenzamos el estudio realizando un detallado análisis de pertenencia para obtener listas de estrellas candidatas para cada uno de los 42 cúmulos de la muestra, utilizando todos los parámetros disponibles, y basándonos en los siguientes criterios: En primer lugar, se lleva a cabo un estudio cinemático de las distribuciones de velocidades radiales, y se combina con el análisis de los movimientos propios y las paralajes proporcionadas por Gaia. Se utilizan indicadores de gravedad como log g y el índice γ para descartar contaminantes gigantes de campo, y de esta forma obtenemos, como resultado paralelo, un número de gigantes ricas en Li que listamos por su interés. Reforzamos las selecciones astrométricas utilizando la fotometría de Gaia en diagramas color−magnitud, y usamos también la metalicidad [Fe/H] para descartar contaminantes que pudieran quedar en la selección. Con todo esto, terminamos estudiando las candidatas en diagramas de EW(Li) frente a Teff, y por fin obtenemos listas finales de candidatas. Todos estos análisis de pertenencia se han complementado con una minuciosa búsqueda bibliográfica de los cúmulos de la muestra, recopilando todos los datos previos sobre abundancias de Li, estimaciones de edades, velocidades y metalicidades, y estudios previos de pertenencia.

    Obtenidas las selecciones de candidatas para todos los cúmulos de la muestra, a continuación hemos llevado a cabo un estudio comparativo para poder cuantificar las dispersiones de Li observadas en cada cúmulo, y analizar su dependencia con diferentes parámetros derivados de las observaciones espectroscópicas de GES: rotación, indicadores de acreción, actividad cromosférica (Hα) y metalicidad. Para el estudio de la rotación usamos tanto las velocidades de rotación proporcionadas por GES (vsini), como una serie de períodos obtenidos de la literatura, incluyendo datos de CoRoT, Kepler, K2 y TESS. Con la ayuda de diferentes tipos de gráficas y figuras, hemos estudiado y confirmado varias correlaciones y comportamientos descritos en la literatura:

    Observamos, por ejemplo, que candidatas con más litio tienden a ser más rápidas rotadoras y usualmente también presentan niveles más altos de actividad. Por último, hemos observado también cómo la metalicidad puede influir en el nivel de disminución de Li para cúmulos de las mismas edades según sean más o menos metálicos.

    Con toda esta información y teniendo todos estos efectos en cuenta, pasamos a la última parte del proyecto, la de calibrar una relación Li-edad. Para ello hemos creado una serie de envolventes empíricas de litio para edades claves de cúmulos de nuestra muestra, desde unos pocos Myr a varios Gyr. Para obtener envolventes de la manera más completa posible, hemos delimitado también la zona de la LDB (el límite de disminución de litio) para los cúmulos con edades de 15-500 Myr, con ayuda de varios modelos. Una aplicación de estas envolventes a la hora de usar el litio como indicador de edad es poder representar estrellas de edad desconocida en diagramas de EW(Li) frente a Teff y usarlas como guía para estimar sus edades.

    Como trabajo futuro, tenemos como objetivo principal utilizar esta relación Li-edad y las envolventes que hemos obtenido para poder estimar las edades de estrellas de campo observadas por GES cuya edad es aún desconocida, y así también confirmar su pertenencia a diferentes grupos cinemáticos estelares de diferentes edades. Otro punto de interés adicional es el estudio de las gigantes ricas en litio observadas en el campo de estos cúmulos durante el análisis de pertenencia, dada la naturaleza excepcional de estas estrellas y su utilidad a la hora de entender el comportamiento del litio estelar.

  • English

    Lithium is a very fragile element that is easily destroyed in stellar interiors. In solar-type and lower mass stars, lithium is slowly being depleted and its surface abundance decreases over time. For this reason, lithium is a very sensitive tracer of stellar evolution, and is especially relevant in the determination of the age of stellar clusters. The lithium abundance (derived from the Li 6707.76 Å line) observed in late-type stars is strongly age-dependent, but also shows a complex pattern depending on several parameters such as rotation, chromospheric activity, metallicity, mixing mechanisms, convection structure, and magnetic activity. The best way to calibrate these effects is to analyse and calibrate coeval groups of stars, such as open clusters and associations.

    This project has made use of data provided by the Gaia-ESO Survey (GES), a large, public spectroscopic survey that provides an homogeneous overview of the distribution of kinematics, dynamical structure and chemical compositions in the Galaxy. GES has measured data for a great number of stars, as well as near 100 open clusters, from 2011 until 2018. This survey uses the multi-object spectrograph FLAMES on the Very Large Telescope (ESO, Chile) to obtain both high resolution spectra with UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) and medium resolution spectra with GIRAFFE.

    As part of the UCM GES node, in the first stages of this thesis project I performed an extensive analysis of the UVES spectra, manually measuring the equivalent widths (both the Li I line at 6707.76 Å and the adjacent Fe I line at 6707.43 Å) for all UVES spectra, in the context of the homogenization of what then was the fourth data release of GES (iDR4). For all the analysis in the present project, however, we have updated all results using the last GES data release, iDR6, as well as the data provided by Gaia EDR3.

    The present thesis, entitled The lithium-age relation: Calibration with open clusters and associations, is a large scale work in which we use a series of 42 open clusters and associations observed by GES, ranging in ages from 1 Myr to 5 Gyr, with the aim of studying lithium as an age indicator for pre- and main-sequence FGK late-type stars, and in this way calibrating an empirical Li-age relation.

    Our first step in this study was to perform a thorough membership analysis in order to obtain lists of candidate members for all 42 clusters in our sample, making use of all available GES parameters, and based on the following criteria: Firstly, we studied the radial velocity distributions of each cluster to obtain probable kinematic members, and we combined this kinematic selection with an analysis of the proper motions and parallaxes provided by Gaia. Gravity indicators such as log g and the γ index enabled us to discard field giant contaminants, and in this way we also obtained, as an additional result of the membership analysis, a series of Li-rich giant stars that we have listed in this work given their interest. We also used photometry from Gaia in colour−magnitude diagrams (CMDs) to confirm the membership of the astrometric selections, as well as [Fe/H] metallicity, which helped rule out further contaminants which might still remain in the list. Finally, we studied lithium as a final criterion by plotting the candidates in EW(Li) vs Teff diagrams, and thus obtained the final lists of candidate stars. All these membership analyses were complemented with detailed bibliographical searches for all clusters in the sample, compiling all previous data regarding Li abundances, age estimations, velocities and metallicities, as well as existing membership studies.

    Having obtained the member selections for all clusters in the sample, our next step was to conduct a comparative study that allowed us to quantify the observable lithium dispersion in each cluster, and analyse in detail its dependence with several other stellar parameters derived from the GES spectroscopic observations: rotation, accretion indicators, the level of chromospheric activity (Hα), and metallicity. For the study of rotation, we used both rotational velocities provided by GES (vsini), as well as a series of periods obtained from the literature, including CoRoT, Kepler, K2 and TESS measurements. With the aid of several types of figures and diagrams, we studied and confirmed the findings and correlations described in former publications: We found, for example, that members with higher values of Li tended to be faster rotators and often also had higher levels of activity. Lastly, we additionally observed the effects of metallicity in the Li depletion of coeval clusters for those which are metal-rich or metal-poor.

    Taking all these effects into account, all this information allowed us to finally calibrate a Li-age relation as the final part of this project. In order to do so, we created a series of empirical lithium envelopes for key ages in our cluster sample, from a few Myr to several Gyr. And to be able to obtain the most complete envelopes possible, we have also constrained the lithium depletion boundary (LDB) for those clusters in the 15-500 Myr age range, with the aid of several models. One of the applications of these lithium envelopes when it comes to using lithium as an effective age indicator is to plot field stars whose age is yet unknown in EW(Li) vs Teff diagrams, and so use them as references and a guide to estimate their ages.

    Regarding future work, our main objective is to use this Li-age relation and the envelopes we have obtained to estimate age ranges for GES field stars whose ages are still unknown, as well as confirm the membership of these field stars to stellar kinematic groups of different ages. An additional point of interest is the study of the unknown Li-rich giant stars observed in the field of these clusters, given their exceptional nature and their usefulness to further understand lithium in stars.