Не-ЛТР исследование спектральных линий KI и CaII в излучении атмосфер одиночных и двойных звезд тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Иванова, Диана Владимировна

• Иванова, Диана Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванова, Диана Владимировна

0.1 ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор исследований отклонений от JITP в атмосферах одиночных и двойных звезд.

1.1 Не-ЛТР эффекты в щелочных и щелочно-земельных элементах в приложении к анализу химического состава.

1.2 Эффекты облучения и двойных системах.

2 Методики моделирования.

2.1 Метод полной линеаризации и комплекс программ NONLTЕ\\.

2.1.1 Метод полной линеаризации.

2.1.2 Программный комплекс NONLTEZ.

2.1.3 Модификация комплекса программ NONLTЕ'З.

2.2 Баланс функции нагрева и охлаждения и комплекс программ SPECTR.

3 He-JITP отклонения в атоме KI.

3.1 Модель атома КI п ее тестирование.

3.2 Анализ линий КI в спектре Солнца.

3.3 Отклонения от J1TP для КI в атмосферах звезд различных классов.

3.4 Анализ содержания калия на разных стадиях эволюции Галактики.

3.4.1 Определение эффективной температуры Tejj.

3.4.2 Определение поверхностной силы тяжести lgg.

3.4.3 Определение содержания железа и скорости микротуроу-лентности.

3.1.1 Определение содержания калия и анализ результатов.

3.4.5 Не-ЛТР и ЛТР содержания калия.

3.4.6 Зависимость [К/Ft] - [Fc/H].

Не-ЛТР отклонения в атоме Call. 1.1 Модель атома Call и ее тестирование

•1.2 Анализ линий Call и спектре Солнца.

1.3 IIe-ЛТР отклонения и атоме Call в атмосферах облучаемых звезд.

•1.3.1 Рентгеновское облучение.

•1.3.2 Жесткое ультрафиолетовое облучение Trad - 50000Л'.И

•1.3.3 Мягкое ультрафиолетовое облучение Тга,{ = 15000А'.

4.4 Формирование линий Call в спектрах предкатаклизмических переменных.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Не-ЛТР исследование спектральных линий KI и CaII в излучении атмосфер одиночных и двойных звезд»

Актуальность проблемы.

С начала 90-х годов произошел переход к использованию высокочувствительных цифровых приемников излучения (ПЗС-матриц), позволивший многократно повысить объем и качество получаемых наблюдательных данных. В связи с этим возросли требования к соответствующим теоретическим расчетам, для выполнения которых уже имеются надежные методы определения фундаментальных параметров звезд, обширные сетки моделей звездных атмосфер, качественные и однородные атомные данные для большого количества химических элементов. Однако, для получения высокоточных результатов необходимо учитывать также процессы, приводящие к отклонениям от термодинамического равновесия, роль которых для некоторых атомов особо велика. Таким образом актуальность наших исследований вызвана возросшим качеством наблюдений и необходимостью обеспечить максимальную точность их теоретического анализа.

Достоверность результатов, полученных в данной работе, подтверждается:

1. Выполненными тестовыми расчетами по проверке влияния атомных данных различных типов, моделей атмосфер звезд и методики моделирования.

2. Совпадением теоретических профилей с наблюдаемыми в Атласе Солнца для максимальных наборов линий KI и CalI.

3. Найденной четкой зависимостью [К/Ее]-[Ес/II] для 33 звезд диска Галактики, согласующейся с результатами опубликованных модельных расчетов химической эволюции Галактики.

4. Согласием наблюдаемых и теоретических кривых изменения эквивалентных ширин линий Call с фазами орбитальных периодов тесных двойных систем EG UMa, MS Ptg, IIR Cam.

Научное значение имеют:

- вывод о существовании состояния сильной "сверхрекомбинации" для атомов КI в атмосферах всех звезд (Д-Д/)-классов.

- вывод о применимости линий Call для анализа эффектов отражения и определения содержаний кальция и параметров тесных двойных систем с холодными белыми карликами (15000 < 1\jj < 35000А') в рамках приближения ЛТР.

Методическое значение имеют:

- методики расчетов паселепностей энергетических уровней КI и Call, профилей и эквивалентных ширин их спектральных линий и содержания калия и кальция и атмосферах звезд в отсутствие JITP,

- методика вычислении населенностей уровней Call и профилей его линий в спектрах атмосфер звезд, облучаемых рентгеновским, жестким и мягким ультрафиолетовым потоком.

Практическое значение имеют:

- теоретические не-JITP поправки к содержанию калия для широких ссток моделей атмосфер,

- JITP и не-JITP содержания калия для выборки из 33 звезд диска Галактики,

- программы по расчету населенностей энергетических уровней KI и Call, профилей и эквивалентных ширин их спектральных линий при отсутствии ЛТР в атмосферах звезд с внешним облучением и без него.

На защиту выносятся:

1. Разработанная на основе программного комплекса N0NLTE3 методика расчета не-JITP населенностей атомных уровней и профилей линий KI и Call.

2. Рассчитанные для линий KI не-JITP поправки к содержанию в широком диапазоне звездных параметров (Tejj = 4000 - 10000A', lg <7 = 0.0 - 4.5, [M/II] = (0.0) - (—2.0)). Вывод о формировании состояния сильной "сверхрекомбинацшГ в атоме KI в атмосферах всех звезд поздних спектральных классов и наличии отрицательных поправкой к содержанию для наблюдаемых линий.

3. Полученные не-JITP поправки, JITP и не-ЛТР содержания калия для 33 звезд диска Галактики.

4. Исследование формирования спектральных линий Call в атмосферах звезд, облучаемых внешним рентгеновским, жестким и мягким ультрафиолетовым излучением. Вывод о формировании эмиссионных линий Call только в спектрах звезд с ультрафиолетовым облучением. Доминирование в таком облучении мягкой компоненты приближает условия формирования линий к ЛТР.

5. Рассчитанные теоретические профили и эквивалентные ширины спектральных линий Call в атмосферах тесных двойных систем BE UMa, EG UMa, Hit Cam, MS Peg.

Аппробация работы. Основные результаты работы докладывались на 21 Международной школе молодых астрономов (Румыния, г. Бухарест, 1999 г.), на международной конференции JENAM-2000 (г. Москва, 2000 г.), на конференции "Физика космоса" (г. Екатеринбург, 2002 г.), на международной конференции "Interacting binary stars - 2003" (г. Одесса, 2003 г.), на Всероссийской конференции "ВАК-2004" (г. Москва, 2001 г.), на итоговых научных конференциях КГУ и астрофизических семинарах кафедры астрономии КГУ.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Иванова, Диана Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время метод моделей атмосфер является наиболее перспективным инструментом при анализе спектров одиночных и двойных звезд. За последнее время с помощью этого метода был выполнен анализ химического содержания различных элементов в атмосферах звезд, что является очень важным для установления происхождения и эволюции звезд и вещества в Галактике. Также с помощью метода моделей атмосфер в последнее время изучаются процессы, происходящие в тесных двойных системах, в которых компоненты оказывают значительное воздействие друг на друга.

Усовершенствование приемников излучения вызвало резкое улучшение характеристик получаемого спектрального материала умеренного и высокого разрешения, что настоятельно потребовало расширить возможности методов его теоретического анализа. В свою очередь, повышения точности и эффективности теоретических исследований необходимо добиваться путем учета различных тонких эффектов в формировании спектров астрофизических объектов. Одним из таких эффектов являются отклонения от ЛТР, методика моделирования которых в настоящее время усовершенствована настолько, что позволяет массово их учитывать при анализе конкретных объектов. Наша работа посвящена определению элементов, для которых влияние не-JITP отклонений оказывается особенно сильным, и разработке методик их количественного моделирования. Выявление таких элементов основывалось на обобщении результатов многочисленных исследований, выполненных в 80 - 90-е годы и подтвердило справедливость сделанных в них выводов. Таким образом, целью своей работы мы выбрали изучение механизмов формирования линий КI в спектрах одиночных звезд и линий Call в спектрах как одиночных звезд, так и тесных двойных систем с эффектами отражения. Благодаря начавшемуся в 90-е годы использованию современных II3C-спектромегров названные линии стали доступны для наблюдений п позволили

1G2 вычислять содержания химических элементов и фундаментальных параметров звезд в ТДС, а также тестировать их физическое состояние. Ниже мы обобщаем результаты наших работ по моделированию и исследованию формирования спектральных линий KI и Call при отказе от предположения ЛТР:

1. Разработаны методики вычисления населенностей уровней и профилей линий KI и Call при отказе от гипотезы ЛТР. Построена модель атома А'/, содержащая 3G энергетических уровней и модель иона Са1 /, содержащая 43 энергетических уровня. Методики не-ЛТР расчетов протестированы на основе анализа наблюдаемых профилей 5 линий КI и 16 линий CalI в спектрографическом Атласе Солнца [116] с уточнением констант их Ван-дер-Ваальсовского уширения. Полученные содержания калия и кальция в атмосфере Солнца хорошо согласуются с метеоритным содержанием.

2. Впервые разработана методика точного вычисления отклонений от ЛТР для населенностей уровней и профилей спектральных линий избранных атомов в атмосферах звезд с внешним ультрафиолетовым и рентгеновским облучением.

3. Вычислены и исследованы не-JITP отклонения в населенностях уровней и профилях линий А'/ для сетки моделей атмосфер Куруца [115] с параметрами: Уе/f = 4000 - 10000A', lgд = 0.0 - 4.5, металличностыо [M/II] = (0.0) - (-2.0).

Анализ не-ЛТР отклонений позволяет сделать следующие основные выводы: а) в атмосферах звезд всех типов атом А'/ находится в состоянии сильной "сверхрекомбинащш"; б) все линии А'/ при учете отклонений ог ЛТР усиливаются; в) не-ЛТР поправки к содержанию калия, определяемого по линии А 7699 А значительны (А г = 0.2 - 0.8 dtx) для звезд всех классов и должны учитываться. о

НеЛТР поправки для субординатных линий АА 11769, 12432, 12522 А существенны (As > 0.05), и их необходимо учитывать при проведении анализа химического состава.

4. Получены не-ЛТР содержания калия в атмосферах 33 звезд диска Галактики. Показано, что неучет отклонений от ЛТР приводит к завышению и увеличению дисперсии определяемых значений содержания калия даже в рамках дифференциального анализа. Найденная зависимость \К/Fc]-[Ft/II] согласуется с результатами опубликованных модельных расчетов химической эволюции Галактики [148]. Это указывает на доминирование процессов взрывного горения кислорода в массивных сверхновых II типа при синтезе калия в диске Галактики.

5. Исследовано влияние внешнего рентгеновского и ультрафиолетового излучения на формирование ЛТР и не-ЛТР линий CalI в спектрах атмосфер звезд

Л-Л/)-клпссов. Проанализировано влияние изменения мощности облучающего потока и угла его падения на формирование профилей и эквивалентных ширин резонансного дублета АА 3933, 39GS /1 и инфракрасного триплета АА 8198, 8512, 8GG2 Л. Показано, что при облучении любого вида учет отклонений ог ЛТР уменьшает эффекты отражения в линиях Call. Сделан вывод, что в спектрах оптически толстых звездных атмосфер с рентгеновским облучением линии Call не образуют эмиссионных компонент. В спектрах звезд с ультрафиолетовым облучением возможно появление эмиссионных линий Call в случае, если эта стадия ионизации является доминирующей в атмосферных слоях, близких к глубине формирования континуума. Поэтому спектры симбиотических переменных с горячими белыми карликами должны содержать линии Call, образующиеся под действием эффекта отражения на поверхности Л/-гиганта или сверхгиганта. Данные линии пригодны для анализа эффектов отражения и температурных структур облучаемых атмосфер только в рамках не-ЛТР анализа. В спектрах тесных двойных систем с холодными белыми карликами эмиссионные линии Call формируются в условиях, близких к термализации, и их изучение возможно с применением приближения ЛТР.

G. Впервые выполнены точные не-JITP расчеты профилей и эквивалентных ширин линий Call в спектрах четырех ТДС класса предкатаклизмнческих переменных: BE UMa, EG UMa, MS Peg, IIII Cam. Показано соответствие наблюдаемых и теоретических эффектов отражения в эмиссионных линиях АА 3933, 8512 /1 при заданных параметрах систем и солнечном содержании кальция в атмосферах красных карликов. Показано, что в атмосферах вторичных компонент старых предкатаклизмнческих переменных тина MS Peg отклонения от ЛТР для ионов Са1 / минимальны и могут не учитываться.

В заключение я хочу выразить огромную благодарность II.А. Сахнбуллипу за всестороннюю помощь. Особую благодарность хочу выразить В.В. Шиманскому за руководство работой и помощь на всех этапах выполнения работы. Также хочу поблагодарить В.Ф. Сулейманова за полезные советы и замечания, А.И. Галее-ва за получение наблюдаемых спектров, использованных в данной работе, и их обработку, Ф.А. Мусаева за получение наблюдаемых спектров, И.Ф. Бикмаева за обработку наблюдаемых спектров, II.II. Шиманскую за уточнение и переопределение параметров атмосфер звезд, исследуемых в данной работе, Е.Е. Беляеву за полезные замечания при прочтении работы, весь коллектив кафедры астрономии Казанского университета, а также Российский Фонд Фундаментальных Исследований (номер личного гранта MAC 03-02-QG763, а также гранты 9G-02-1G30G,

99-02-17-188, 02-02-17174) и государственную поддержку ведущих научных школ России за существенную материальную помощь.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванова, Диана Владимировна, 2005 год

1. Амбарцумян В.Д., Мустель Э.Р., Северный А.Б., Соболеп В.А. // Теоретическая астрофизика., М.: Государственное издательство технпко - теоретической литературы, 1952.

2. Белякова Е.В., Машонкина Л.И. // Анализ статистического равновесия иона SrII в атмосферах F — G-звезд. Лст{)он. Жури. 1997. т. 74. с. G01.

3. Белякова Е.В., Машонкина JI.II., Сахибуллин II.Л. // Лстрон. Жури. 1999. т. 70. с. 929.

4. Боярчук А.Л.,Любимков Л.С. // Изв. Крымской астрофиз. обсерв. 1983. т. 0G. с. 130.

5. Боярчук А.Л, Губены П., Кубат П., Любимков JI.C., Сахибуллин П.А.// Астрофизика. 1988. т. 28, с. 335.

6. G. Боярчук А.А, Губены И., Кубат И., Любимков JI.C., Сахибуллин II.А.// Астрофизика. 1988. т. 28. с. 343.

7. Вайнштейн JI.A., Собельман И.И., Юков Е.А. // Возбуждение атомов и уши-рение спектральных линий. Москва, „Наука4, 1979.

8. Галеев А.И., Бпкмаев И.Ф., Машонкина Л.П., Мусаев Ф.А., Галазутдинов Г.А. // Actj)oh. жури. 2001. т. S1. с. 5G1.

9. Денисенков II.А., Иванов В.В. //Письма в Лстрон. жури. 1987. т. 13. с. 520.

10. Иванова Д.В., Шпманский В.В. // Лстрон. журн. 2000. т. 77. с. 37G.

11. Иванова Д.В., Сахибуллин II.Л., Шпманский В.В. // Лстрон. журн. 2002. т. 79. с. 433.

12. Каталог WBVR величин ярких звезд северного неба // Труды гос. астроном, института им. U.K. Штернберга. 1991. т. LXIII.1GG131. Ы 151G