Фотометрические и спектральные исследования катаклизмических переменных звезд с сильным и слабым магнитным полем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Зубарева, Александра Михайловна

• Зубарева, Александра Михайловна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Зубарева, Александра Михайловна

Введение.

Глава 1. Свойства магнитных и немагнитных катаклизмических переменных звезд.

Глава 2. Поляр МТ Ога.

2.1. Фотометрия

2.1.1. Наблюдения и обработка.

2.1.2. Определение орбитального периода.

2.1.3. Кривые блеска.

2.1.4. Многоцветные наблюдения МТ Эга.

2.1.5. Блеск системы и темп аккреции

2.2. Спектроскопия

2.2.1. Наблюдательный материал.

2.2.2. Кривые лучевых скоростей.

2.3. Сопоставление фотометрических и спектральных данных.

2.4. Выводы.

Глава 3. Малоизученные новоподобные переменные ИХ Л 951.7+3716 и №У

3.1. Ю£ Л 951.7+

3.1.1. Наблюдения и обработка.

3.1.2. Кривые блеска.

3.1.3. Анализ периодичностей.

3.2. ^У

3.2.1. Наблюдения и обработка.

3.2.2. Кривые блеска.

3.2.3. Поиски периодичностей.

3.3. Открытие переменных звезд в поле ЯХ Л951.7+3716.

3.4. Выводы.

Глава 4. Пекулярная карликовая новая МЫ ига. типа Би ЦМа.

4.1. Наблюдения и обработка.

4.2. Кривые блеска.

4.3. Изменения блеска МК Ога во время сверхвспышек.

4.4. Изменения блеска ММ Бга вне сверхвспышек.

4.5. О-С и изменение периода положительных сверхгорбов.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фотометрические и спектральные исследования катаклизмических переменных звезд с сильным и слабым магнитным полем»

Катаклизмические переменные звезды (CVs) представляют собой тесные двойные системы (ТДС) на поздней стадии эволюции, состоящие из белого карлика, маломассивной звезды-донора, находящейся на главной последовательности, и аккреционного диска или аккреционных колонн, образованных веществом звезды-донора. Свое название эта группа объектов получила из-за того, что протекающие в них физические процессы приводят к катаклизмам.

Катаклизмические переменные подразделяются на две большие группы в зависимости от характеристик главного компонента системы - белого карлика. Если магнитное поле белого карлика невелико, вещество красного карлика покидает полость Роша через внутреннюю точку Лагранжа L¡ и образует вокруг белого карлика аккреционный диск. Такие системы принято называть дисковыми. В случае, если магнитное поле главного1 компонента близко к 1 МГс, его магнитосфера будет столь велика, что аккреционный диск либо не формируется вообще (поляры), либо будет менее протяженным, чем у дисковых систем (промежуточные поляры).

Дисковые CVs типа SU UMa показывают два типа вспышек с амплитудой от

Зт до 8т. «Нормальные» вспышки обычно продолжаются несколько суток и повторяются более или менее регулярно через десятки суток. «Сверхвспышки» продолжаются не менее двух недель и разделены интервалами в десятки дней.

Во время сверхвспышек у звезд типа SU UMa наблюдаются колебания блеска с амплитудой в десятые доли звездной величины, которые принято называть «сверхгорбами».

Сверхгорбы называют положительными, если их период на несколько процентов превышает орбитальный период системы. Причиной их возникновения является приливно-тепловая неустойчивость аккреционного диска. Тепловая неустойчивость запускает нормальные вспышки, которые уменьшают массу диска. Однако до следующей нормальной вспышки диск накапливает больше вещества, чем успеет впоследствии сбросить на поверхность белого карлика. При достижении критического радиуса диск становится эксцентрическим из-за действия приливной неустойчивости. Возрастающее приливное трение заставляет диск прецессировать в направлении орбитального движения. В результате блеск системы будет изменяться с периодом биений между орбитальным периодом системы и периодом прецессии аккреционного диска.

Отрицательные сверхгорбы, период которых на несколько процентов меньше орбитального периода системы, возникают в том случае, когда аккреционный диск в системе наклонен к плоскости орбиты. Линия узлов диска прецессирует в направлении, обратном орбитальному движению системы. Механизмы, ответственные за образование наклонных аккреционных дисков, неизвестны до сих пор.

В диссертации представлены результаты фотометрических и спектральных наблюдений катаклизмических переменных звезд различных типов, выполненных с 2005 по 2010 год.

Актуальность проблемы

Исследования катаклизмических переменных звезд имеют большое значение для различных областей астрофизики. Эти системы дают возможность детально изучать равновесные и неравновесные аккреционные диски, термоядерные взрывы на поверхности белых карликов (во время вспышек Новых звезд). Представления о процессах аккреции вещества, как дисковой,, так и принимающей иные формы, позволяют разобраться в физике более экзотических объектов: рентгеновских двойных звезд, черных дыр и активных ядер галактик. Катаклизмические переменные представляют собой физические лаборатории, в которых вещество находится в условиях, невоспроизводимых в земных лабораториях. Напряженность магнитного поля белых карликов в составе магнитных СУб превышает значение напряженности магнитного поля Земли в сотни тысяч раз. Магнитное поле такой напряженности полностью определяет поведение вещества, поставляемого красным карликом. Двойственность катаклизмических переменных позволяет^ тюлучить значения масс и радиусов компонентов системы. Эти значения отличаются от параметров, свойственных одиночным белым и красным карликам, поскольку звезды в ТДС эволюционируют иначе, чем одиночные.

В рамках одной работы едва ли можно отразить всё многообразие процессов, протекающих в СУэ. Для исследования были выбраны звезды различных подтипов переменности, что позволило затронуть несколько наиболее актуальных аспектов физики катаклизмических переменных.

Только в 1995 году у одной из катаклизмических переменных звезд были обнаружены и положительные, и отрицательные сверхгорбы, то есть в ее аккреционном диске действуют несколько различных физических процессов. К 2011 году достоверно известно всего четыре таких CVs, одна из которых, МТ Dra, исследуется в этой работе.

К 2006 году было известно почти 90 поляров, однако наибольшее количество данных в различных спектральных диапазонах получено только для самой известной звезды этого типа, AM Her. Одна из глав данной работы посвящена поляру МТ Dra, фотометрические наблюдения которого проводились в течение шести сезонов.

Среди большого количества малоизученных объектов, которые на основе анализа спектров, оценок показателей цвета или на основании рентгеновских данных отнесены к вероятным катаклизмическим переменным, можно обнаружить очень необычные и интересные. У одной из таких звезд, NSV 25181, помимо изменений блеска, являющихся типичными для новоподобных звезд (фликеринг, переменность среднего за ночь блеска системы), были обнаружены периодичности, характерные для нерадиальных пульсаций белых карликов (звезды типа ZZ Cet). Комбинация переменности, отражающей процесс аккреции вещества в CVs, и нерадиальных пульсаций белого карлика является дополнительной возможностью получить ценную информацию о главных компонентах систем методами астросейсмологии. К 2010 году достоверно известно всего 11 катаклизмических переменных, обладающих этими свойствами.

Перечисленные обстоятельства показывают, что изучение катаклизмических переменных является актуальной проблемой современной астрофизики.

Цели и задачи исследования

Целью работы является исследование процессов, протекающих в катаклизмических переменных звездах.

Для достижения цели диссертационной работы решаются следующие задачи:

- фотометрия недостаточно изученных катаклизмических переменных звезд;

- поиск и анализ фотометрической переменности избранных СУб на различных временных масштабах;

- поиск периодичностей и выяснение их природы;

- получение и интерпретация спектральных наблюдений катаклизмических переменных звезд, представляющих наибольший астрофизический интерес;

- сопоставление фотометрических и спектральных периодичностей, анализ причины их различия.

Научная новизна

В ходе выполнения работы получен ряд новых результатов.

Впервые получен обширный ряд фотометрических наблюдений, в том числе и многоцветные наблюдения, поляра МТ Dra. Выяснено, что орбитальный период системы не меняется на протяжении 17 лет, что не совсем характерно для катаклизмических переменных звезд.

Впервые получены детальные спектральные наблюдения МТ Dra.

Обнаружена фотометрическая переменность блеска двух новоподобных звезд, одна из которых, по-видимому, содержит нерадиально пульсирующий белый карлик. К 2010 году известно, что белые карлики пульсируют в 11 катаклизмических переменных.

Подтверждено, что у звезды MN Dra типа SU UMa одновременно наблюдаются положительные и отрицательные сверхгорбы. Таким образом, она является только четвертой ТДС, аккреционный диск которой испытывает два различных типа прецессии во время сверхвспышек.

Научная и практическая значимость

Результаты работы могут быть использованы при изучении звезд типа SU UMa, поляров и новоподобных звезд. Накопленный наблюдательный материал может быть полезен для уточнения теории катаклизмических переменных звезд. Особую значимость для построения моделей ТДС с аккреционными дисками имеют результаты наблюдений MN Dra, показывающей и положительные, и отрицательные сверхгорбы.

Апробация результатов

Результаты представлены на семинарах:

- отдела физики звезд и галактик НИИ КрАО (май 2007 года)

- ИНАСАН (октябрь 2010) на конференции молодых ученых ИНАСАН (октябрь 2009 года) на международных конференциях:

- Физика космоса, Коуровка, Россия (2006, 2007, 2009 годы)

- Interacting Binary Stars, Nauchny, Crimea (June 2008)

- 17th European White Dwarf Workshop, Tübingen, Germany (August 2010).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 97 страниц, в ней содержатся 40 рисунков, 6 таблиц, список цитируемой литературы включает в себя 65 наименований.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Зубарева, Александра Михайловна

4.6. Выводы

В ходе анализа фотометрических наблюдений МЫ 1)та, выполненных с июля по ноябрь 2009 года, были получены следующие результаты.

Исследуемая система на разных стадиях активности показывает два типа колебаний блеска: положительные и отрицательные сверхгорбы.

Во время двух последовательных сверхвспышек были обнаружены положительные сверхгорбы с периодом 0й. 105422. Найдена переменность периода со скоростью йР/Р = —1.5 х 10 ~4. Эти значения хорошо согласуются с теми, что были получены для других сверхвспышек этой карликовой новой.

Во время нормальных вспышек и в минимуме блеска МЫ блеск изменяется с периодом 0е1.096046. Причем амплитуда этих колебаний достигает 1.5т в спокойном состоянии, а во время нормальных вспышек близка к 0.3т. Мы интерпретируем эту периодичность как отрицательные сверхгорбы, вызванные прецессией линии узлов наклонного аккреционного диска.

МК Dra, является четвертой катаклизмической переменной, в которой уверенно наблюдаются и положительные, и отрицательные сверхгорбы.

Заключение

В диссертации проведено изучение фотометрических и спектральных особенностей четырех катаклизмических переменных звезд.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Для МТ Бга впервые получены детальные фотометрические наблюдения. Подтвержден орбитальный период. Он остается неизменным на протяжении 17 лет, что редко наблюдается у катаклизмических переменных. По наблюдениям 2006 года выяснено, что переход в низкое состояние блеска происходит быстро: за одни сутки блеск МТБга уменьшился на 1ш. На основании анализа наблюдений за шесть лет отмечено, что переходы МТ Бга из одного состояния блеска в другое происходят непериодически. Впервые получены многоцветные наблюдения МТБга в различных состояниях блеска. Выделены три режима аккреции вещества на магнитные полюса белого карлика. Амплитуда, изменения лучевых скоростей близка к 1200 км/с. Эквивалентные ширины линий меняются в широком диапазоне. Наблюдаемая фотометрическая и спектральная переменность МТ Ога в высоком состоянии блеска объясняется различными условиями видимости аккреционных струй на разных фазах орбитального цикла.

2. Для ИХ Л951.7+3716 впервые получены фотометрические наблюдения. Открыта переменность блеска с амплитудой 0Ш.8. Кривая блеска типична для новоподобных катаклизмических переменных. Выявлены две возможные периодичности изменений блеска, изменений блеска, 0d.628 и 0d.3879, связанные суточным сопряжением.

3. В поле звезды RX J1951.7+3716 открыты пять затменных переменных звезд. Две из них - переменные типа W UMa (EW), три остальные звезды -переменные типа р Per (ЕА). i

4. Для NSV 25181 впервые получены детальные фотометрические наблюдения. Блеск системы изменяется на 0т.4. Кривая блеска типична для 1 новоподобных катаклизмических переменных. Обнаружена переменность I блеска с периодами в 28.32 и 24.58 минут. Подобные колебания могут объясняться нерадиальными пульсациями белого карлика в тесной двойной системе (переменность типа ZZ Cet).

5. Проведены обширные фотометрические наблюдения уникальной катаклизмической переменной MN< Dra - звезды типа SU UMa в известном «пробеле периодов». Во время двух последовательных сверхвспышек, июля и сентября 2009 года, были обнаружены положительные сверхгорбы с периодом 0d.l05442. Период изменяется со скоростью -1.5 х 10 ~"4 периода за период. Во время нормальных вспышек и в спокойном состоянии MN Dra блеск меняется с j периодом 0 .096046. Амплитуда этих колебаний достигает 1 .5 в спокойном состоянии, а во время нормальных вспышек близка к 0т.З. Эта переменность интерпретируется как отрицательные сверхгорбы. MN Dra является четвертой звездой типа SU UMa, у которой одновременно наблюдаются и положительные, и отрицательные сверхгорбы.

Полученные результаты указывают на необходимость дальнейших систематических наблюдений звезд, которым посвящена работа.

Для определения параметров поляра МТ Ога крайне важно проведение одновременных спектральных и фотометрических наблюдений.

Особо хочется отметить, что периодичности, обнаруженные у ЫБУ 25181 нуждаются в подтверждении. Автор планирует продолжить изучение этой необычной новоподобной переменной.

Благодарности

Хочу от всей души поблагодарить своего научного руководителя, Николая Николаевича Самуся, за помощь и терпение. Самые теплые слова адресую Елене Петровне Павленко за поддержку, вдохновение и ценные советы. Искренне благодарю Сергея Витальевича Антипина за многочисленные консультации и готовность помочь на любом этапе выполнения работы.

Я очень признательна за помощь в проведении и обработке наблюдений Азамату Фаниловичу Валееву, Максиму Владимировичу Андрееву, Елене Александровне Барсуковой, Юрию Васильевичу Пахомову, а также Владиславу Владимировичу Шиманскому и Николаю Владимировичу Борисову. Благодарю Дмитрия Алексеевича Кононова за помощь в интерпретации спектральных данных.

Сердечно благодарю коллег за понимание и поддержку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Зубарева, Александра Михайловна, 2011 год

1. JI.X. Аллер, Астрофизика, т.1, М.: Издательство иностранной литературы (1955)

2. Антипин и Павленко (S. V. Antipin and Е. P. Pavlenko), Astron. and Astrophys. 391, 565 (2002)

3. Appac и др. (P. Arras, D.M. Townsley, L. Bildsten), Astrophys. J. 643, 119 (2006) B.JI. Афанасьев и A.B. Моисеев, Письма в Астрономический журнал, 31, №3, 214(2005)

4. Викрамасингх и By (D.T. Wickramasinghe and К. Wu), Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 253, 11 (1991)

5. Вирнина, Антипин и Зубарева (N.A.Virnina, S.V.Antipin, A.M.Zubareva), Peremennye zvezdy Supplement, 11,9 (2011)

6. Генсике и др. (B.T. Gaensicke, К. Beuermann, J.A. Mattei), JAAVSO 35, 149 (20066)

7. P.E. Гершберг и Э.Э. Шноль, Известия КрАО 50, 122 (1974) Дауне (R. Downes), Astrophys. J. 307, 170 (1986)

8. Дауне и др. (R. Downes et al.), Catalog and Atlas of Cataclysmic Variables, Archive edition (http://archive.stsci.edu/prepds/cvcat/) (2006)

9. Диминг (T.J. Deeming), Astrophys. and Space Science 36,137 (1975) Жосс и Раппапорт (P.C. Joss and S.A. Rappaport), Astrophys J. 270, 73 (1983) Зубарева и Антипин (A.M. Zubareva and S.V. Antipin), Inform. Bull. Var. Stars, 5956 (2010)

10. Зубарева и Антипин (A.M. Zubareva, S.V. Antipin), Inform. Bull.Var. Stars, 5968(2011)

11. A.M. Зубарева и др. (A.M. Зубарева, Е.П. Павленко, M.B. Андреев, C.B. Антипин, H.H.Самусь, A.B. Сергеев), Астрономический журнал, 88, №3, 250 (2011а)

12. Зубарева и др. (A.M. Zubareva, V.V. Shimansky, N.V. Borisov, A.V. Valeev)arXiv: 1104.4413vl (20116)

13. Казаровец и др. (E.V. Kazarovets, N.N. Samus, O.V. Durlevich), Inform. Bull.1. Var. Stars 4655 (1998)

14. Като и др. (Т. Kato, A. Imada, М. Uemura, et al.), Publ. of the Astron. Soc. of1. Japan 61, 395 (2009)

15. Кинг (A.R. King), Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 241, 365 (1989)

16. Кинг и Ласота (A.R. King and J.P. Lasota), Astron. Astrophys., 140, 16 (1984)

17. Киппенхан и Вайгерт (R. Kippenhahn and A. Weigert), Stellar structure andevolution, Springer, Berlin (1990)

18. Книгге (С. Knigge), arXiv: 1101.2901vl (2011)

19. Коннон Смит (R. Connon Smith), arXiv: 0701654vl (2007)94

20. Ландольт (A. U. Landolt), Astron. J. 88, 439 (1983) Ласота (J.P. Lasota), New Astronomy 45, 449 (2001)

21. Лафлер и Кинман (J. Lafler and T. D. Kinman), Astrophys. J., Suppl. Ser. 11, 216 (1965)

22. Ливио и Прингл (M. Livio and J.E. Pringle), Astrophys. J. 427, 956 (1994) Любов (S.H. Lubow), Astrophys. J. 381, 259 (1991)

23. Мотч и др. (С. Motch, P. Guillout, F. Haberl, et al.), Astron. and Astrophys. Suppl. 132, 341 (1998)

24. Неустроев др. (V.V. Neustroev, S. Zharikov and R. Michel), Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 369, 369 (2006)

25. Ногами и др. (D. Nogami, M. Uemura, R. Ishioka, et al.), Astron. and Astrophys. 404, 1067 (2003)

26. Олех и др. (A. Olech, A. Rutkowski and A. Schwarzenberg-Czerny), Acta Astron. 57,331 (2007)

27. Олех и др. (A. Olech, M. Wisniewski, K. Zloczewski, et al.), Acta Astron. 58, 131 (2008)

28. Олех и др. (A. Olech, A. Rutkowski and A. Schwarzenberg-Czerny), Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 399, 465 (2009)

29. Я. Пельт, Частотный анализ астрономических рядов, Таллин: Валгус (1980) Петере и Торстенсен (С. Peters and J. Thorstensen), Publ. of the Astron. Soc. of the Pacific 117,1386 (2005) Риттер (H. Ritter), arXiv: 0809.1800 (2008)

30. Риттер и Кол (H. Ritter and U. Kolb), Astron. Astrophys. 404, 301 (2003) (update Rkcat7.13, 2010)

31. Робертсон и др. (J.W. Robertson, S.B. Howell, R.K. Honeycutt et al.), Astron. J., 136, 1857(2008)

32. Скоди и др. (P. Szkody, A. Mukadam, B.T. Gaensicke, et al.), Astron. J. 710, 64 (2010)

33. Смак (J. Smak), Acta Astron. 34, 161 (1984) Смак (J. Smak), Acta Astron. 59, 419 (2009)

34. Спрюит и Риттер (H.C. Spruit and H. Ritter), Astron. Astrophys. 124, 267 (1983) Тапиа (S. Tapia), Astrophys. J. 212, 125 (1977)

35. Уайтхёрст и Кинг (Whitehurst and A.R. King), Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 250, 152(1991)

36. Уорнер (В. Warner), Cataclysmic Variable Stars, Cambridge, Cambridge Univ. Press (1995)

37. Феррарио и др. (L. Ferrario, D.T. Wickramasinghe and I.R. Tuohy), Astrophys. J. 341, 327 (1989)

38. Феррарио и Викрамасингх (L. Ferrario and D.T. Wickramasinghe), Astropys. J., 357,582(1990) Фуджимото (M. Y. Fujimoto), Astron. J. 257, 767 (1982)

39. Хак и ля Ду (M. Hack and С. la Dous), Cataclysmic Variables and Related Objects, Paris and Washington: NASA SP 507, 135 (1993)

40. Харви и др. (D. Harvey, D.R. Skillman, J.Patterson and F.A. Ringwald), Publ. of the Astron. Soc. of the Pacific 107, 551 (1995)

41. Шафтер и др. (A.W. Shafter, P. Szkody, J. Liebert, et al.), Astrophys. J. 290, 707 (1985)

42. Шварц и др. (R. Schwarz, J. Greiner, G. H. Tovmassian, et al.), Astron. and Astrophys. 392, 505 (2002)