Modellierung und Diagnostik von verbotenen Emissionslinien in stoßwellendurchlaufenen Atmosphären von Mira Veränderlichen

Mira Veränderliche gehören zu der Klasse der Langperiodischen Veränderlichen (LPVs), in der Sterne mit geringer und mittlerer Anfangsmasse in einem späten Entwicklungsstadium auf dem asymptotischen Riesenast (AGB) zusammengefaßt werden. Die in solchen pulsierenden AGB-Objekten durch massive Sternwinde auftretenden erheblichen Massenverlustraten von 10^{-6} Sonnenmassen pro Jahr werden in theoretischen Arbeiten (e.g. Fleischer 1992, Höfner & Dorfi 1997, Winters 2000a) durch ein Zusammenwirken von pulsationsbedingten Stoßwellen und Strahlungsdruck auf den dadurch gebildeten Staub erklärt. Obwohl Staub eine zentrale Rolle im Massenverlustmechanismus in den hydrodynamischen Modellen spielt, sind jedoch die Details des durch Stoßwellen getriggerte Staubbildungsmechanismus noch nicht vollständig geklärt. Insbesondere fehlte bislang eine Verknüpfung zwischen Modellen und Beobachtungen von Mira Atmosphären. In dieser Arbeit werden verbotene und erlaubte Emissionslinien des einfach ionisierten Eisens (Fe II) als diagnostisches Werkzeug zur Klärung dieser Problemstellung in M-Typ Miras (Elementenhäufigkeiten C/O < 1) entwickelt. Diese Emissionslinien treten während des Minimums der visuellen Helligkeit auf. Es kann somit abgeschätzt werden, daß sie aus Bereichen von etwa r = 1.5 - 3 R_* emittiert werden, d.h. sie stammen etwa aus den äußeren Atmosphärenschichten, die für die Staub- und Windbildung dieser Objekte von entscheidender Bedeutung sind. Die in dieser Arbeit durchgeführten phasenabhängigen, hochaufgelösten Beobachtungen von Linienprofilen, -breiten sowie -flüssen dieser Emissionslinien (Richter & Wood 2001) liefern hierbei wichtige Erkenntnisse und Bedingungen für die theoretische Modellierung. Die qualitative und quantitative Interpretation des Beobachtungsmaterials wird mit Hilfe detaillierter, zeitunabhängiger NLTE Linienstrahlungstransportrechnungen durchgeführt (Richter et al. 2002a,b). Diese werden auf Momentaufnahmen verschiedener Modellatmosphären gerechnet, wie sie im Zentrum für Astronomie und Astrophysik entwickelt wurden. So konnten die phasenabhängige Emission dieser Linien und die kritischen Faktoren für die Erzeugung passender Linienflüsse eingehend untersucht werden. Mit Hilfe detaillierter Parameterstudien wurden erstmals die essenziellen Stoßwellenparameter in den inneren Zonen von M-Typ Miras bestimmt. Diese Ergebnisse liefern entscheidende Parameter für die Anpassung hydrodynamischer Modelle an Beobachtungen. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei wesentliche Teile: eine detaillierte Darstellung der Beobachtungsdaten (Kapitel 2), darauf folgend die Grundlagen des NLTE Strahlungstransports (Kapitel 3) und schließlich die Berechnung von Fe II und [Fe II] Linien zur Diagnostik von M-Typ Miras (Kapitel 4). Kapitel 5 schließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung sowie einem Ausblick auf zukünftige Arbeiten.Mira variables belong to the class of Long Period Variables (LPVs), in which stars with low or intermediate initial masses are in a late state of their evolution on the Asymptotic Giant Branch (AGB). In such pulsating AGB-objects the high mass loss rates of 10^{-6} solar masses per year caused by massive stellar winds are explained by theoretical works (e.g. Fleischer 1992, Höfner & Dorfi 1997, Winters 2000a) via a coaction of pulsational driven shock waves and radiative pressure on the thereby formed dust. Although dust plays a central role in the mass loss mechanism of the hydrodynamical models, the details of the dust formation process induced by shock waves is still not fully understood. In particular the connection between the models and observations of Mira atmospheres is so far still missing. In this thesis, forbidden and permitted emission lines of single ionised iron (Fe II) are developed as a diagnostic tool in order to treat this problem in M-type Miras (element abundances C/O < 1). These emission lines occur during the visible light minimum. It can therewith be estimated that they are emitted from regions around r = 1.5 - 3 R_*, i.e. they originate approximately from the outer atmospheric layers which are of crucial importance for the dust and wind formation in these objects. The carried out time-resolved, high-resolution observations of line profiles, widths and fluxes of theses emission lines (Richter & Wood 2001) yield important cognitions and conditions for the theoretical modelling. The qualitative and quantitative interpretation of the observational data is carried out with the aid of detailed, time-independent NLTE radiative line transfer calculations (Richter et al. 2002a,b). These have been performed on snapshots of several model atmospheres, as developed in the Zentrum für Astronomie und Astrophysik. Therewith, the phase-dependent emission of these lines as well as the critical factors for the generation of the suitable line fluxes have been analysed in detail. Via detailed parameter studies the essential shock wave parameters in the inner zones of M-type Miras have been determined for the first time. These results provide vital parameters for an adaption of hydrodynamical models to the observations. The presented work is subdivided into three fundamental parts: a detailed description of the observational data (chapter 2) followed by the basics of NLTE radiative transfer (chapter 3) and finally the calculation of Fe II and [Fe II] lines for the diagnostics of M-type Miras. Chapter 5 summarises this thesis with the conclusions and an outlook on future work