Estrela Wolf-Rayet

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Estrelas Wolf-Rayet (frequentemente referenciadas como estrelas WR) são estrelas evoluidas, muito massivas (mais de 20 massas solares), e que perdem suas massas rapidamente por meio de ventos solares muito fortes, com velocidades superiores a 2000 km/s. Enquanto o Sol perde 10-14 de sua massa durante um ano, uma estrela Wolf-Rayet perde 10-5 massas solares por ano. Essas estrelas são também muito quentes: suas temperaturas estão entre 25000 e 50000 K.

História de observação[editar | editar código-fonte]

Crescent Nebula
WR 136 é uma estrela WN6 cuja atmosfera ejetada durante a fase de supergigante vermelha foi ionizada pelo quente e rápido vento da estrela WR, formando uma nebulosa em forma de bolha (NGC 6888)

Em 1867, usando o telescópio Foucault de 40 cm no Observatório de Paris, os astrônomos Charles Wolf e Georges Rayet[1] descobriram três estrelas na constelação de Cygnus (HD 191765, HD 192103 e HD 192641, atualmente designadas WR 134, WR 135 e WR 137 respectivamente) que mostravam largas bandas de emissão em um espectro em outros aspectos contínuo.[2] O espectro da maioria das estrelas apresenta apenas linhas ou bandas de absorção, como resultado de elementos na fotosfera absorvendo luz em frequências específicas, então esses claramente eram objetos anormais.

A natureza das bandas de emissão no espectro de uma estrela Wolf–Rayet permaneceu um mistério por várias décadas. Edward C. Pickering teorizou que as linhas eram causadas por um estado anormal de hidrogênio, e foi achado que essa "série de Pickering" de linhas seguia um padrão similar à série de Balmer, quando números quânticos meio inteiros eram substituídos. Foi mais tarde mostrado que as linhas resultavam a presença do elemento hélio, que tinha sido descoberto em 1868.[3] Pickering notou similaridades entre espectros Wolf–Rayet e espectros de nebulosas, o que o levou a concluir que algumas ou todas as estrelas Wolf–Rayet eram as estrelas centrais de nebulosas planetárias.[4]

Por volta de 1929, a largura das bandas de emissão estava sendo atribuída a alargamento Doppler, e portanto o gás cercando essas estrelas devia estar se movendo a velocidades altas de 300–2400 km/s na direção da linha de visão. A conclusão foi que uma estrela Wolf–Rayet está continuamente ejetando gás para o espaço, produzindo um envelope em expansão de gás nebuloso. A força ejetando o gás às altas velocidades observadas é a pressão de radiação.[5] Era conhecido que muitas estrelas espectro Wolf–Rayet eram as estrelas centrais de nebulosas planetárias, mas também que muitas não estavam associadas a qualquer nebulosidade.[6]

Além de hélio, linhas de emissão de carbono, oxigênio e nitrogênio foram identificadas no espectro de estrelas Wolf–Rayet.[7] Em 1938, a União Astronômica Internacional classificou o espectro de estrelas Wolf–Rayet stars nos tipos WN e WC, dependendo se o espectro era dominado por linhas de nitrogênioou carbono-oxigênio respectivamente.[8]

Em 1969, várias estrelas centrais de nebulosas planetárias com fortes linhas de emissão de OVI foram agrupadas em uma nova "sequência OVI", ou simplesmente tipo OVI.[9] Essas foram mais tarde referidas como estrelas [WO].[10] Estrelas similares não associadas a nebulosas planetárias foram eventualmente descritas e a classificação WO foi então adotada para estrelas WR de população I.[10][11]

O entendimento de que algumas estrelas WN de menor temperatura e com linhas de hidrogênio em seu espectro estão em um estágio evolutivo diferente das estrelas WR sem hidrogênio levou à introdução do termo WNh para distinguir essas estrelas das outras estrelas WN. Elas foram anteriormente conhecidas como estrelas WNL, apesar de haver estrelas WN mais frias sem hidrogênio e também estrelas WR com hidrogênio tão quentes quanto WN5.[12]

Classificação[editar | editar código-fonte]

Espectro de WR 137, uma estrela WC7[13] e uma das três estrelas WR originais, mostrando várias linhas de emissão (eixo horizontal: comprimento de onda em Å)

Estrelas Wolf–Rayet foram definidas com base nas fortes e largas linhas de emissão em seu espectro, relacionadas aos elementos hélio, nitrogênio, carbono, silício e oxigênio, mas com linhas de hidrogênio geralmente fracas ou ausentes. O primeiro sistema de classificação dividiu as estrelas WR em dois grupos: aquelas em que as linhas dominantes são de nitrogênio ionizado (NIII, NIV e NV) e aquelas dominadas por linhas de carbono ionizado (CIII e CIV) e ocasionalmente oxigênio (OIII e OVI), referidas como classes WN e WC respectivamente.[14] Essas duas classes foram eventualmente subdivididas em sequências de temperatura WN5-WN8 e WC6-WC8 com base na intensidade relativa das linhas de HeII a 541,1nm e HeI a 587,5 nm. Linhas de emissão Wolf–Rayet frequentemente acompanhadas por uma larga linha de absorção (perfil P Cygni), sugerindo material circunstelar. Uma sequência WO também foi separada da sequência WC para estrelas ainda mais quentes em que a emissão de oxigênio ionizado domina a de carbono ionizado, embora espere-se que as proporções desses dois elementos na estrela sejam comparáveis.[6] Espectros WC e WO são formalmente diferenciados com base na presença ou ausência de emissão de CIII.[15] Espectros WC também geralmente não possuem as linhas de OVI que são fortes em espectros WO.[16]

A sequência espectral WN foi expandida para incluir WN2 até WN9, e as definições refinadas com base na intensidade relativa das linhas de NIII a 463,4–464,1 nm e 531,4 nm, de NIV a 347,9–348,4 nm e 405,8 nm, e de NV a 460,3 nm, 461,9 nm e 493,3–494,4 nm.[17] Essas linhas estão bem separadas de áreas de forte e variável emissão de He e possuem intensidades bem correlacionadas com a temperatura. Estrelas com espectros intermediários entre WN e Ofpe já foram classificadas como WN10 e WN11, mas essa nomenclatura não é universalmente aceita.[18]

O tipo WN1 foi proposto para estrelas que não possuem linhas de NIV e NV, para acomodar dois objetos (Brey 1 e Brey 66) que pareciam ser intermediários entre WN2 e WN2.5.[19] As intensidades e larguras relativas das linhas de cada subclasse WN foram mais tarde quantificadas, e a razão entre as linhas de HeII a 541,1 nm e HeI a 587,5m foi introduzida como o indicador primário do nível de ionização e assim da subclasse espectral. A necessidade para a classe WN1 desapareceu e as estrelas Brey 1 e Brey 66 são agora classificadas como WN3b. As obscuras classes intermediárias WN2.5 e WN4.5 foram descontinuadas.[20]

Classificação de espectros WN
Tipo espectral Critério original[15] Critério atualizado[20] Outras características
WN2 NV fraco ou ausente NV e NIV ausentes HeII forte, HeI ausente
WN2.5 NV presente, NIV ausente Classe obsoleta
WN3 NIV ≪ NV, NIII fraco ou ausente HeII/HeI > 10, HeII/CIV > 5 Perfil peculiar, intensidade de NV incerta
WN4 NIV ≈ NV, NIII fraco ou ausente 4 < HeII/HeI < 10, NV/NIII > 2 CIV presente
WN4.5 NIV > NV, NIII fraco ou ausente Classe obsoleta
WN5 NIII ≈ NIV ≈ NV 1,25 < HeII/HeI < 8, 0,5 < NV/NIII < 2 NIV ou CIV > HeI
WN6 NIII ≈ NIV, NV fraco 1,25 < HeII/HeI < 8, 0,2 < NV/NIII < 0,5 CIV ≈ HeI
WN7 NIII > NIV 0,65 < HeII/HeI < 1,25 fraco perfil P-Cyg em HeI, HeII > NIII, CIV > HeI
WN8 NIII ≫ NIV HeII/HeI < 0,65 perfil P-Cyg forte em HeI, HeII ≈ NIII, CIV fraco
WN9 NIII > NII, NIV ausente NIII > NII, NIV ausente perfil P-Cyg em HeI
WN10 NIII ≈ NII NIII ≈ NII H Balmer, perfil P-Cyg em HeI
WN11 NIII fraco ou ausente, NII present NIII ≈ HeII, NIII fraco ou ausente, H Balmer, perfil P-Cyg em HeI, FeIII presente

A sequência espectral WC foi ampliada para incluir WC4 até WC11, apesar de algumas publicações mais antigas terem usado também WC1 a WC3. A linha de emissão primária usada para distinguir entre os subtipos WC são CII a 426,7 nm, CIII a 569,6 nm, CIII/IV a 465,0 nm, CIV a 580,1–581,2 nm, e a combinação de OV e OIII 557,2–559,8 nm.[15] Com a expansão para incluir WC10 e WC11, os critérios de subclasse foram quantificadas com base principalmente na intensidade relativa das linhas de carbono para depender de fatores de ionização mesmo havendo variações entre carbono e oxigênio.[16]

Classificação de espectros WC
Tipo espectral Critério original[15] Critério quantitativo[16] Outras características
Primário Secundário
WC4 CIV forte, CII fraco, OV moderado CIV/CIII > 32 OV/CIII > 2,5 OVI fraco ou ausente
WC5 CIII ≪ CIV, CIII < OV 12,5 < CIV/CIII < 32 0,4 < CIII/OV < 3 OVI fraco ou ausente
WC6 CIII ≪ CIV, CIII > OV 4 < CIV/CIII < 12,5 1 < CIII/OV < 5 OVI fraco ou ausente
WC7 CIII < CIV, CIII ≫ OV 1,25 < CIV/CIII < 4 CIII/OV > 1,25 OVI fraco ou ausente
WC8 CIII > CIV, CII ausente, OV fraco ou ausente 0,5 < CIV/CIII < 1,25 CIV/CII > 10 HeII/HeI > 1,25
WC9 CIII > CIV, CII presente, OV fraco ou ausente 0,2 < CIV/CIII < 0,5 0,6 < CIV/CII < 10 0,15 < HeII/HeI < 1,25
WC10 0,06 < CIV/CIII < 0,15 0,03 < CIV/CII < 0,6 HeII/HeI < 0,15
WC11 CIV/CIII < 0,06 CIV/CII < 0,03 HeII ausente

Para as estrelas de tipo WO as principais linhas usadas são as de CIV a 580,1 nm, OIV a 340,0 nm, OV e OIII combinados a 557,2–559,8 nm, OVI a 381,1–383,4 nm, OVII a 567,0 nm e OVIII a 606,8 nm. A sequência foi expandida para incluir e quantificada com base na intensidade relativa das linhas de OVI/CIV e OVI/OV.[21] Um padrão posterior, feito para haver consistência entre as estrelas WR clássicas e as estrelas centrais de nebulosas planetárias, retornou para a sequência de WO1 até WO4 e ajustou as divisões.[16]

Classificação de espectros WO
Tipo espectral Critério original[15] Critério quantitativo[16] Outras características
Primário Secondário
WO1 OVII ≥ OV, OVIII presente OVI/OV > 12,5 OVI/CIV > 1,5 OVII ≥ OV
WO2 OVII < OV, CIV < OVI 4 < OVI/OV < 12,5 OVI/CIV > 1,5 OVII ≤ OV
WO3 OVII fraco ou ausente, CIV ≈ OVI 1,8 < OVI/OV < 4 0,1 < OVI/CIV < 1,5 OVII ≪ OV
WO4 CIV ≫ OVI 0,5 < OVI/OV < 1,8 0,03 < OVI/CIV < 0,1 OVII ≪ OV

Estudos modernos detalhados de estrelas Wolf-Rayet stars podem identificar outras características espectrais, indicadas por sufixos à classificação espectral principal:[20]

  • h para emissão de hidrogênio;
  • ha para emissão e absorção de hidrogênio;
  • w para linhas fracas;
  • s para linhas fortes;
  • b para linhas largas e fortes;
  • d para poeira (ocasionalmente vd, pd, ou ed para poeira variável, periódica ou episódica).[22]

A classificação de espectros Wolf-Rayet é complicada pela frequente aassociação das estrelas a densa nebulosidade, nuvens de poeira, ou estrelas companheiras. Um sufixo de "+OB" é usado para indicar a presença de linhas de absorção no espectro provavelmente associadas a uma estrela companheira normal, ou "+abs" para linhas de absorção de origem desconhecida.[20]

As subclasses espectrais WR mais quentes são descritos como iniciais (early) e as mais frias como tardias (late), de forma consistente com a classificação estelar usual. WNE e WCE referem-se a espectros de tipo inicial enquanto WNL e WCL designam espectros de tipo tardio, com a divisão aproximadamente na subclasse seis ou sete. Não existem estrelas de tipo WO consideradas tardias. Existe uma forte tendências para estrelas WNE serem pobres em hidrogênino enquanto os espectros de estrelas WNL frequentemente incluem linhas de hidrogênio.[15][23]

Os tipos espectrais de estrelas centrais de nebulosas planetárias são indicados por colchetes (por exemplo, [WC4]). Quase todos são da sequência WC, com as estrelas [WO] conhecidas representando a extensão para altas temperaturas da sequência de carbono. Existem também um pequeno número de estrelas de tipo [WN] e [WC/WN], descobertas mais recentemente.[24][25][26][27]

A temperatura das estrelas centrais de nebulosas planetárias tende para os extremos quando comparada a estrelas WR de população I, então [WC2] e [WC3] são comuns e a sequência foi estendida até [WC12]. Os tipos [WC11] e [WC12] têm espectros característicos com linhas de emissão finas e sem linhas de HeII e CIV.[28][29]

GK Persei (Nova Persei 1901), que mostrou características espectrais Wolf-Rayet.[5]

Algumas supernovas observada antes de seu pico de luminosidade apresentam espectros WR.[30] Isso acontece por causa da natureza da supernova a esse ponto: um material ejetado em expansão rico em héliosimilar a um vento Wolf-Rayet extremo. As características espectrais WR duram apenas algumas horas, com a marcas de ionização desaparecendo até o máximo de brilho da supernova, restando apenas fraca emissão de hidrogênio e hélio, antes de ser substituída pelo espectro tradicional de um supernova. Já foi proposto denominar esses espectros com um tipo "X", por exemplo XWN5(h).[31] De forma similar, novas clássicas desenvolvem espectros consistindo de linhas de emissão largas similares a uma estrela Wolf-Rayet. Isso é causado pelo mesmo mecanismo físico: expansão rápida de gás denso em torno de uma fonte central muito quente.[6]

Estrelas barra[editar | editar código-fonte]

A separação entre estrelas Wolf-Rayet e estrelas de classe O com temperatura similar depende da existência de fortes linhas de emissão de hélio, nitrogênio, carbono e oxigênio ionizados, mas existem algumas estrelas características espectrais intermediárias ou confusas. Por exemplo, estrelas de classe O de alta luminosidade podem desenvolver linhas de emissão de hélio e nitrogênio em seus espectros, enquanto algumas estrelas WR podem possuir linhas de hidrogênio, emissão fraca, e até linhas em absorção. Essas estrelas receberam tipos espectrais como O3 If/WN6 e são conhecidas como estrelas barra (slash stars).[32]

Supergigantes de classe O podem ter linhas de emissão de hélio e nitrogênio, ou um componente de emissão em algumas linhas de absorção. Isso é indicado por sufixos de peculiaridade espectral específicos a este tipo de estrela:

  • f para emissão de NIII e HeII
  • f* para emissão de N e He com a linha de NIV mais intensa que NIII
  • f+ para emissão de SiIV além de N e He
  • parênteses indicam linhas de HeII em absorção ao invés de emissão, por exemplo (f)
  • parênteses duplos indicam forte absorção de HeII e emissão de NIII diluída, por exemplo ((f+))

Essas notações podem também ser combinadas com indicadores espectrais mais gerais como 'p' (para peculiaridades espectrais) ou 'a' (para linhas de absorção). Combinações comuns incluem OIafpe, OIf* e Ofpe. Na década de 1970 foi reconhecido que existia um contínuo de espectros desde classe O com apenas absorção até tipos WR inequívocos, e era incerto se algumas estrelas intermediárias deveriam receber tipos espectrais como O8Iafpe ou WN8-a. A notação barra foi proposta para lidar com essa situação e a estrela Sk−67°22 recebeu o tipo espectral O3If*/WN6-A.[33] O critério para distinguir entre estrelas OIf*, OIf*/WN e WN tem sido refinado para ser mais consistente. Classificações de estrela barra são usadas quando a linha Hβ tem um perfil P Cygni; essa é uma linha de absorção em supergigantes O e uma linha de emissão em estrelas WN. A seguir estão os critérios para alguns tipos espectral de barra, usando as linhas de emissão de nitrogênio a 463,4–464,1 nm, 405,8 nm e 460,3–462,0 nm, junto com uma estrela padrão para cada tipo:[32]

Classificação de estrelas barra
Tipo espectral Critério Estrela padrão
O2If*/WN5 NIV ≫ NIII, NV ≥ NIII Melnick 35
O2.5If*/WN6 NIV > NIII, NV < NIII WR 25
O3.5If*/WN7 NIV < NIII, NV ≪ NIII Melnick 51

Outro conjunto de tipos espectrais de barra são usados para estrelas Ofpe/WN. Essas estrelas têm espectros de supergigantes O mais linhas de emissão de nitrogênio e hélio, e perfil P Cygni. Alternativamente, elas podem ser consideradas estrelas WN com hidrogênio e níveis de ionização anormalmente baixos.[34] A notação barra para essas estrelas foi controversa e uma alternativa proposta foi estender a sequência a sequência WR de nitrogênio para WN10 e WN11.[35] Outros autores preferiram o uso da notação WNha, por exemplo WN9ha para WR 108.[36] Uma recomendação recente é usar um tipo espectral O, como O8Iaf, se a linha de HeI a 447,1 nm estiver em absorção e uma classe WR de WN9h ou WN9ha se a linha tiver um perfil P Cygni.[32] No entanto, tanto a notaçaõ em barra Ofpe/WN quanto as classificações WN10 e WN11 continuam sendo usadas.[37]

Um terceiro grupo de estrelas com características espectrais tanto de estrelas de classe O como de estrelas WR foi identificado. Oito estrelas na Grande Nuvem de Magalhães têm espectros com características WN3 e O3V mas não parecem ser binárias. Muitas das estrelas WR na Pequena Nuvem de Magalhães têm espectros WN de tipo inicial mais linhas de absorção. Isso é atribuído ou a estrelas companheiras de classe O ou a fracos ventos estelares devido a uma baixa metalicidade.[38]

Nomenclatura[editar | editar código-fonte]

As primeiras três estrelas Wolf-Rayet a serem identificadas, coincidentemente todas com companheiras quentes de classe O, já tinham sido numeradas no catálogo Henry Draper. Essas estrelas e outras sendo descobertas foram chamadas de estrelas Wolf–Rayet, a partir dos descobridores originais, mas critérios de nomeação específicos para elas não seriam criados até 1962, no quarto catálogo de estrelas Wolf-Rayet na Galáxia.[39] Os três primeiros catálogos não eram especificamente listas de estrelas Wolf-Rayet e eles apenas usaram a nomenclatura já existente.[40][41][42] O quarto catálogo numerou as estrelas Wolf-Rayet sequencialmente em ordem de ascensão reta. O quinto catálogo usou a mesma numeração mas com o prefixo MR (as iniciais do autor do quarto catálogo), mais uma sequência adicional de números com o prefixo LS para novas descobertas.[17] Nenhum desses dois sistemas de numeração permanecem em uso.

O Sexto Catálogo de Estrelas Wolf-Rayet Galácticas foi o primeiro a realmente ter esse nome, assim como a descrever as cinco publicações anteriores como catálogos de estrelas Wolf-Rayet. Ele também introduziu os números WR amplamente usados até hoje para estrelas WR galácticas. Novemente foi criada uma sequência numérica, de WR 1 até WR 158, em ordem de ascensão reta.[43] O sétimo catálogo e seu anexo usaram a mesma numeração e inseriram novas estrelas na sequência usando letras minúsculas como sufixos, por exemplo WR 102ka para uma das várias estrelas WR descobertas no centro galáctico.[15][44] Pesquisas modernas de identificação usam seus próprios esquemas de numeração para o grande número de novas descobertas.[45] Um grupo de trabalho da União Astronômica Internacional aceitou recomendações para expandir o sistema de numeração do Catálogo de Estrelas Wolf-Rayet Galácticas para que novas descobertam recebam o número WR já existente mais próximo (em ascensão reta) mais um sufixo numérico em ordem de descoberta. Isso se aplica a todas as descobertas desde o anexo de 2006, apesar de algumas estrelas já terem sido nomeadas no sistema de nomenclatura anterior; assim WR 42e recebeu a numeração WR 42-1.[46]

Estrelas Wolf-Rayet em outras galáxias são numeradas com sistemas diferentes. Na Grande Nuvem de Magalhães, a nomenclatura de estrelas WR mais difundida e completa é a do quarto catálogo de estrelas Wolf-Rayer de População I na Grande Nuvem de Magalhães, que usa o prefixo BAT-99, por exemplo BAT-99 105.[47] Muitas dessas estrelas também são conhecidas pelo seus números no terceiro catálogo, por exemplo Brey 77.[48] Em 2015, havia 152 estrelas WR catalogadas na Grande Nuvem de Magalhães, a maioria de classe WN mas incluindo três da extremamente rara classe WO.[38][49] Algumas dessas estrelas são conhecidas por números RMC (Radcliffe observatory Magellanic Cloud), frequentemente abreviados apenas como R, por exemplo R136a1.

Na Pequena Nuvem de Magalhães, números SMC WR são usados, ou geralmente chamados apenas de números AB, por exemplo AB7.[50] Existem apenas doze estrelas WR conhecidas na Pequena Nuvem de Magalhães, um número muito baixo provavelmente devido à baixa metalicidade dessa galáxia.[51][52][53]

Descrição[editar | editar código-fonte]

Estrelas Wolf-Rayet são um estágio normal na evolução de estrelas massivas, na qual linhas de emissão de hélio e nitrogênio (sequência 'WN') ou hélio, carbono, e oxigênio (sequência 'WC') são visíveis. Por causa de suas fortes linhas de emissão, elas podem ser identificadas em galáxias próximas.

Cerca de 150 estrelas Wolf-Rayets são conhecidas em nossa galáxia, Via Lactea, cerca de 100 são conhecidas na Grande Nuvem de Magalhães, enquanto somente 12 foram identificadas na Pequena Nuvem de Magalhães. Estrelas Wolf-Rayet foram descobertas espectroscopicamente em 1867 pelos astrônomos franceses Charles Wolf e Georges Rayet usando espectroscopia visual no Observatório de Paris.

Algumas estrelas centrais (~10%) de nebulosas planetárias são - a despeito de suas baixas massas - também do tipo-WR, isto é, elas mostram espectros com linhas de emissão de hélio, carbono e oxigênio.

É possível para uma estrela Wolf-Rayet colapsar, isto é, o núcleo da estrela desabe sobre si mesmo para formar um buraco negro, sugando toda a matéria ao seu redor. Acredita-se que isto seja o processo gerador de fontes de raios gamma.

O mais bem conhecido (e mais visível) exemplo de uma estrela Wolf-Rayet é Gamma Velorum (γ Vel), a qual é uma estrela brilhante visível a quem habita ao sul de 40 graus de latitude norte. Um dos membros do sistema estelar (Gamma Velorum é formado por quatro estrelas) é uma estrela Wolf-Rayet. Devido a natureza exótica de seu espectro (fortes linhas de emissão, em vez de fracas linhas de absorção) ela é chamado de a gema espectral do céu do sul.

Imagem da nebulosa M1-67 à volta da estrela Wolf Rayet WR 124, captada pelo Telescópio Espacial Hubble

Veja também[editar | editar código-fonte]

Referências

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Ligações externas[editar | editar código-fonte]

  • [1] Some Wolf-Rayet stars in binaries are close enough that we can image a rotating "pinwheel nebula" showing the dust generated by colliding winds in the binary system, from Aperture Masking Interferometry observations.
  • [2]Wolf-Rayet Stars: Spectral Classifications
  • [3]Classificação espectral das Estrelas de Wolf-Rayet (em Português)
  • [4]ApJ 525:L97-L100 Nov. 10, 1999. Monnier, Tuthill & Danchi: Pinwheel Nebula Around WR98a (PDF)
  • [5]ApJ Jan. 3,2005. Dougherty, et. al.: High Resolution Radio Observations of the Colliding Wind Binary WR140 (PDF)
  • [6]A catalog of northern Wolf-Rayet Stars and the Central Stars of Planetary Nebulae (Harvard)