Структура и динамика околозвездной оболочки в тесных двойных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Сытов, Алексей Юрьевич

• Сытов, Алексей Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сытов, Алексей Юрьевич

Введение

1 Трёхмерная газодинамическая численная модель околозвёздной оболочки в тесных двойных системах

1.1 Физическая модель околозвёздной оболочки в ТДС.

1.2 Методы исследования течения вещества в околозвёздной оболочке

1.3 Особенности газодинамической численной модели.

2 Механизм формирования околозвёздной оболочки тесной двойной системы

2.1 Межкомпонентная оболочка

2.2 Аккреционный диск и прецессионная спиральная волна

2.3 Образование околозвёздной оболочки.

3 Структура околозвёздной оболочки в ТДС

3.1 Распределение макропараметров в околозвёздной оболочке

3.2 Образование спиральной структуры в околозвёздной оболочке

3.3 Морфологические особенности внешних частей околозвёздной оболочки.

Наблюдательные проявления околозвёздной оболочки

4.1 Оптические толщины околозвёздной оболочки.

4.2 Влияние околозвёздной оболочки на кривые блеска.

4.3 Наблюдательные данные

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и динамика околозвездной оболочки в тесных двойных системах»

Актуальность темы

Околозвёздные оболочки двойных звёзд являются достаточно распространённым явлением. Чаще всего рассматривается оболочка, представляющая собой остаток протозвёздного облака, аккрецируемый двойной звездой на ранних стадиях её эволюции. На продвинутых стадиях эволюции двойную систему также может окружать оболочка, возникшая за счет звёздного ветра с одного или обоих компонентов. Кроме того, возможно возникновение третьего типа околозвёздных оболочек, формируемых за счёт газа, выброшенного из тесной двойной звезды (ТДС) в процессе мас-сообмена.

В ТДС происходит обмен веществом, сопровождающийся процессами аккреции. Если аккрецирующий компонент такой системы является компактным объектом - белым карликом, нейтронной звездой или чёрной дырой, вещество, покинувшее звезду-донор, не может непосредственно упасть на звезду-аккретор, так как имеет избыток углового момента. Это приводит к формированию аккреционного кольца [41], которое в дальнейшем расширяется по радиусу в обоих направлениях, образуя аккреционный диск [42]. Подобное расширение обусловлено перераспределением углового момента вещества, составляющего аккреционный диск. Часть вещества теряет угловой момент и приближается к аккретору, падая на пего, другая же часть приобретает при этом угловой момент и удаляется от аккретора, увеличивая радиус аккреционного диска.

В стационарном случае аккреционный диск в ТДС постоянно подпи-тывается веществом от звезды-донора с некоторым угловым моментом, н, следовательно, для обеспечения его стабильного состояния должны действовать механизмы, обеспечивающие постоянный отвод избыточного углового момента за пределы системы. С физической точки зрения, подобный отвод может происходить двумя путями: путем перевода кинетической энергии вещества в иную форму, например, в тепловую энергию или энергию магнитного поля, либо путем перераспределения, когда излишек момента уносится в пространство вместе с частью вещества.

Необходимость отвода углового момента вместе с веществом становится очевидной, если рассмотреть эволюцию аккреционного кольца. Кольцо, расширяясь, постепенно увеличивает свой внешний радиус, однако это расширение не беспредельно - для аккреционного диска существует т.н. радиус последней устойчивой орбиты, за пределами которого вещество уже не может принадлежать исключительно аккретору [47]. Неизбежно выходя за пределы этого радиуса, вещество покидает аккреционный диск и становится частью околозвёздной оболочки системы, унося угловой момент.

Исследование, проведённое в настоящей работе, показало, что в результате потери вещества аккреционным диском вокруг ТДС формируется достаточно протяжённая и плотная околозвёздная оболочка. Изучение околозвёздных оболочек важно, прежде всего, для интерпретации наблюдений, так как оболочки могут иметь существенную оптическую толщину. Также околозвёздные оболочки могут оказывать заметное влияние на процессы перераспределения момента и массы компонентов двойной звезды, что делает их изучение важным для построения эволюционных сценариев двойных звёзд.

Цель диссертации

Целью диссертационной работы является исследование структуры и динамики околозвёздной оболочки тесной двойной системы. Исследование проводилось при помощи трёхмерного численного газодинамического моделирования. В работе решались следующие основные задачи:

• Создание трёхмерной численной модели для исследования околозвёздной оболочки с высоким пространственным разрешением. Численное моделирование газодинамики околозвёздной оболочки является технически достаточно сложной задачей. Трудности моделирования, обусловлены, прежде всего, большими размерами расчетной области, в которой необходимо проводить моделирование. Поскольку пространственное разрешение должно быть достаточно высоким, для моделирования требуется большое количество узлов разностной сетки и задача становится чрезвычайно ресурсоёмкой. Решение подобной задачи стало возможным только в последние годы с появлением массивно-параллельных супер-компьютеров.

• Исследование механизма образования околозвёздной оболочки в тесных 'двойных звёздах. Одной из основных целей диссертационной работы является изучение перераспределения углового момента в аккреционном диске и процесса формирования оболочки из вещества, покидающего систему.

• Исследование структуры околозвёздной оболочки. Наличие сложной картины течения в ТДС в процессе обмена веществом приводит к формированию нестационарной оболочки с неравномерным распределением вещества. Целью этой части работы было исследование структуры оболочки с последующим определением ее основных параметров.

• Оценка влияния околозвёздной оболочки на наблюдательные проявления компонентов тесной двойной системы. Для исследования влияния оболочки на наблюдательные проявления необходимы расчёты оптических свойств оболочки, учитывающие неравномерность распределения вещества.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые при помощи трёхмерного численного моделирования газодинамики с высокой степенью детализации исследована картина течения вещества в околозвёздной оболочке тесной двойной системы.

Обнаружено, что взаимодействие эллиптичного аккреционного диска с отошедшей ударной волной, формирующейся перед аккреционным диском вследствие орбитального движения системы, приводит к периодическому оттоку вещества из аккреционного диска и околодискового гало через окрестность точки Лагранжа Как следствие, пополнение оболочки двойной звезды происходит не в результате стационарного истечения, а посредством выбросов вещества из окрестности точки Лагранжа

По результатам трёхмерных расчетов определена структура и параметры околозвёздной оболочки. Показано, что для типичных ТДС оболочка может оказывать существенное влияние па наблюдательные проявления системы.

Практическая значимость

Основные результаты диссертационной работы, определяющие её практическую и научную значимость, опубликованы в авторитетных научных изданиях. Проведённые исследования структуры и динамики течения позволили не только исследовать механизм формирования оболочки, но и провести оценку сё оптических свойств. Результаты численного моделирования уже используются при интерпретации наблюдательных данных как у нас в стране, так и за рубежом.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Число страниц - 121, рисунков - 36, наименований в списке литературы - 81.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Сытов, Алексей Юрьевич

Заключение

На защиту выносятся следующие положения

1. Разработана трёхмерная численная модель, позволяющая исследовать структуру и динамику околозвёздной оболочки тесных двойные систем с высоким пространственным разрешением. Модель реализована на компьютерах с параллельной архитектурой, что позволило получить квазистационарное решение на временах в десятки орбитальных периодов.

2. Предложен механизм образования околозвёздной оболочки в тесны^с двойных звездах. Показано, что пополнение оболочки двойной звезды происходит не в результате стационарного истечения, а посредством выбросов вещества из окрестности точки Лагранжа Ь3. По результатам расчётов установлено, что хорошо коллнмированные выбросы возникают в результате взаимодействия эллиптичного аккреционного диска с отошедшей ударной волной, формирующейся перед аккреционным диском вследствие орбитального движения системы. Ориентация эллиптичного аккреционного диска определяется положением находящейся в нем прецессионной спиральной волны - в лабораторной системе координат волна (как и большая полуось аккреционного диска) практически неподвижна, в то время как остальные элементы течения смещаются из-за орбитального вращения системы. Периодическое изменение взаимного положения аккреционного диска и отошедшей ударной волны приводит к вариациям темпа передачи углового момента веществу диска и гало, а также к изменению структуры течения вблизи точки что и служит причиной периодических выбросов вещества.

3. Изучена структура околозвездной оболочки тесной двойной системы. По результатам трёхмерного численного моделирования газодинамики показано, что выбрасываемый через окрестность поток имеет форму плотного спирального шлейфа, насчитывающего до полутора витков. Максимальный размер формирующейся спиральной структуры ограничен точкой самопересечения и составляет порядка 4-ь5 расстояний между компонентами системы (Л). После разрушения спиральной структуры, вещество движется во внешние части оболочки в виде множества фрагментов, имеющих размеры от 0.5Л до ЗА Фраг-ментированная оболочка продолжает расширяться и плотные сгустки вещества диссшшруют. размываясь дифференциальным вращением. С расстояния порядка ЮЛ фрагментированная оболочка переходит во внешний диск, расширяющийся в результате диффузного переноса углового момента от внутренних частей оболочки наружу.

4. Получены оценки возможных наблюдательных проявлений около-звёздпых оболочек тесных двойных систем. Показано, что для значения параметра Шакуры-Сюняева а ~ 0.01 и соответствующей эффективности аккреции 50%) оболочка становится оптически толстой в экваториальной плоскости при темпе массообмена 1О8М0/год и её наличие должно быть учтено при интерпретации наблюдений. Выявленные неравномерность распределения вещества по фазе и вариации плотности, вызванные периодическими выбросами вещества в оболочку, важны для интерпретации наблюдений тесных двойных звёзд. Сильная зависимость колонковой плотности от наклонения позволяет сделать вывод о том, что околозвёздная оболочка будет влиять на светимость системы только при углах наклонения 90 =Ь 5°.

Апробация результатов

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Института астрономии РАН, а также были представлены на российских и международных конференциях «Параллельные вычислительные технологии - 2007» (ЮУрГУ, г.Челябинск, 2007), «Всероссийская астрономическая конференция - 2007» (Казанский ГУ, г.Казань. 2007), «JENAM-2007» (г.Ереван, Армения, 2007), «Ультрафиолетовая вселенная - 2008» (ГАИШ, г.Москва, 2008),,«Interacting Binaries: Accretion and Syncronization» (KpAO, Украина, 2008), «Space plasma physics» (г.Созополь, Болгария, 2008). Также результаты работы докладывались на ежегодной конференции молодых ученых ИНАСАН (2006, 2007 и 2008 гг.).

Публикации по теме диссертации

1. Сытов А.Ю. Трехмерное моделирование газодинамики оболочки в тесных двойных звездах на компьютерах с параллельной архитектурой. - труды конференции «Параллельные вычислительные технологии 2007» г.Челябинск.

2. Сытов А.Ю., Кайгородов П.В., Бисикало Д.В., Кузнецов O.A. Бо-ярчук A.A. Механизм образования общей оболочки в тесных двойных системах - труды «Всероссийской Астрономической Конференции 2007» г.Казань.

3. Сытов А.Ю., Кайгородов П.В., Бисикало Д.В., Кузнецов O.A. Бояр-чук A.A. Механизм образования общей оболочки в тесных двойных системах // Астрономический Журнал.-2007.-Т.84-С.926-936.

4. Сытов А.Ю. Наблюдательные проявления общей оболочки тесной ■ двойной системы - труды конференции «Ультрафиолетовая Вселенная 2008» г.Москва.

5. Сытов А.Ю., Кайгородов П.В., Бисикало Д.В. Боярчук A.A. Структура общей оболочки тесной двойной системы // Астрономический Журнал.-2009.-Т.86-С. 250-259.

6. Сытов А.Ю., Кайгородов П.В., Бисикало Д.В., Боярчук A.A. Наблюдательные проявления общей оболочки тесной двойной системы // Астрономический Журнал.-2009.-Т.86-С.468-474.

7. Кононов Д.А. Кайгородов П.В., Бисикало Д.В., Боярчук A.A., Агафонов М.И., Шарова О.И., Сытов А.Ю., Бонева, Д. Спектральные наблюдения и доплеровское картирование системы SS Cyg во время вспышки /'/ Астрономический Журнал.-2008.-Т.85-С.927-939.

В совместных работах участие автора в постановке задачи, проведении расчетов и анализе результатов равное.

В заключение, автор выражает глубокую признательность научному руководителю работы д.ф.-м.н. Бисикало Д.В. за постоянную поддержку и внимание к работе, академику РАН Боярчуку A.A., а также д.ф.-м.н. Кузнецову O.A., к.ф.-м.н. Жилкину А.Г. и Кайгородову П.В. за плодотворные обсуждения результатов и ценные рекомендации в процессе работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сытов, Алексей Юрьевич, 2009 год

1. Akeson R. L., Rice W. К. M., Boden A. F. et al. // Astrophys. J. 2007. - Vol. 670. - R 1240.

2. Artymowicz R, Lubow S. H. // Astrophys. J. 1994. - Vol. 421. - P. 651:

3. Artymowicz P., Lubow S. H. // Astrophys. J. Lett. 1996. - Vol.467 L77+.

4. Baibus S. A., Hawley J. F. // Astrophys. J. 1991. - Vol. 376. - P. 214.

5. Bell K. R., Lin D: N. C. // Astrophys. J. 1994. - Vol. 427. - P. 987.

6. Bisikalo D. V., Boyarchuk A. A., Kaigorodov Р. V. et al. // ASP Conf. Ser. 330: The Astrophysics of Cataclysmic Variables and Related Objects / Ed. by J.-M. Hameury, J.-P. Lasota. 2005. P. 383.

7. Bisikalo D. V. // Astrophys. and Space Sei. 2005. Vol. 296. - P. 391.

8. Bisikalo D. V., Boyarchuk A. A., Kaygorodov P. V. et al. // AIP Conf. Proc. 797: Interacting Binaries: Accretion, Evolution, and Outcomes. 2005. -P. 295.

9. Bisikalo D. V., Boyarchuk A. A., Kaygorodov P. V. et al. // Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics Supplement. 2006. Vol. 6. - P. 159.

10. Bisnovatyi-Kogan G. S., Blinnikov S. I. // Soviet Astronomy Letters. -1976. Vol. 2.'-P. 191.

11. Blandford R. D., Payne D. G. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. -1982. Vol. 199. P. 883.

12. Interplay of Periodic, Cyclic and Stochastic Variability in Selected Areas of the H-R Diagram / Boffin H. M. J., Stanishev V., Kraicheva Z., Genkov V. // 2003. Pp. 292-297.

13. Mass transfer in close binary stars / Boyarchuk A. A., Bisikalo D. V., Kuznetsov 0. A., Chechetkin V. M., // Taylor k Frances, London. 2002.

14. Cabot W. // Astrophys. J. 1984. Vol. 277. P. 806.

15. Cao X., Spruit H. C. // Astronom. and Astrophys. 2002. - Vol. 385. -P. 289.

16. Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability (International Series of Monographs on Physics (Oxford, England).) / Chandrasekhar S. // Dover Publications. 1981.

17. Radiative cooling of a low-density plasma / Cox D. P., Daltabuit E. // Astrophys. J. 1971. - Vol. 167. - P. 113.

18. Heating and ionization of HI regions / Dalgarno A., McCray R. A. // ARA&A. 1972. - Pp. 375-427.

19. Dgani R„, Livio M., Regev O. // Astrophys. J. 1994. - Vol. 436. - P. 270.

20. Wild Stars in the Old West / Dhillon V. S., Marsh T. R., Jones D. H. P. -1998. -Vol. 137. P. 556.

21. Fridman A. M., Boyarchuk A. A., Bisikalo D. V. et al. // Phys. Lett. A. -2003. Vol. 317. - P. 181.

22. Goodman J. // Astrophys. J. 1993. - Vol. 406. - P. 596.

23. Grinin V. P., Barsunova O. Y., Shugarov S. Y. et al. // Astrophysics. -2008. Vol. 51. P. 1.

24. Günther R., Schäfer C., Kley W. // Astronom, and Astrophys. 2004. -Vol. 423. - P.559.

25. Hartigan P., Kenyon S. J. // Astrophys. J. 2003. -Vol. 583. - P. 334.

26. Ikhsanov N. R. // Astronom, and Astrophys. 2000. - Vol. 358. - P. 201.

27. Ikhsanov N. R. // Astronom, and Astrophys. 2001. -Vol. 374. - P. 1030.

28. Ikhsanov N. R., Neustroev V. V., Beskrovnaya N. G. // Astronom, and Astrophys. 2004. Vol. 421. - P. 1131.

29. Jensen E. L. N., Dhital S., Stassun K. G. et al. // Astronom. J. 2007. -Vol. 134. - P. 241.

30. Klahr H. H., Bodenheimer P. // Astrophys. J. 2003. - Vol. 582. - P. 869.

31. Kumar S. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1986. - Vol. 223. -P. 225.

32. Kumsiashvili M., Natsvlishvili R., Kochiashvili N. // Astronom, and Astrophys. T. 2007. - Vol. 26. - P. 103.

33. Li H., Finn J. M., Lovelace R. V. E., Colgate S. A. // Astrophys. J. 2000.1. Vol. 533. P. 1023.

34. Lin D. N. C., Papaloizou J. C. B., Savonije G. J. // Astrophys. J. 1990. - Vol. 365. - P. 748.

35. Lin D. N. C., Papaloizou J. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc.1979. Vol. 186. - P. 799.

36. Lin D. N. C., Papaloizou J. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc.1980. Vol. 191. - P. 37.

37. Lyubarskij Y. E., Postnov K. A., Prokhorov M. E. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1994. - Vol. 266. - P. 583.

38. Lubow S. H., Pringle J. E., Kcrswell R. R. // Astrophys. J. 1993. -Vol. 419. - P. 758.

39. Lubow S. H. // Astrophys. J. 1981. - Vol. 245. - P. 274.

40. Lubow S. H., Papaloizou J. C. B., Pringle J. E. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1994. - Vol. 268. - P. 1010.

41. Lubow S. H., Shu F. H. // Astrophys. J. 1975. - Vol. 198. - P. 383.

42. Lynden-Bell D., Pringle J. E. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. -1974. Vol. 168. - P. 603.

43. Lynden-Bells D. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 2003. - Vol. 341. - P. 1360.

44. Mennickent. R. E., Kolaczkowski Z., Michalska G., Pietrzyriski G., Gallardo R., Cidale L., Granada A., Gieren W. // MNRAS. 2008. -Vol. 389. - P. 1605.

45. Michel F. C. // Astrophys. J. 1984. - Vol. 279. - P. 807.

46. Paczynski B. // Comments on Astrophysics. 1976. - Vol. 6. - P. 95.

47. Paczynski B. // Astrophys. J. 1977. - Vol. 216. - P. 822.

48. Papaloizou J., Pringle J. E. // Monthly Notices Roy. Astronoin. Soc. -1977. Vol. 181. - P. 441.

49. Pretorms M. L., Knigge C. // MNRAS. Vol. 385. - P. 1485.

50. Radiative cooling of a low-density plasma / Raymond J. C., Cox D. P., Smith B. W. // Astrophys. J. 1976. - Vol. 204. - P. 290.

51. Retter et al. // MNRAS. 2003. - Vol. 340. - P. 679.

52. Roe P. L. // Annual Review of fluid mechanics. 1986. - Vol. 18. - P. 337.

53. Sala G., Grciner J., Haberl F. // The Astronomer's Telegram. 2007. -Vol. 1. - P. 1062.

54. Sala G., Hernanz M., Ferri C., Greiner J. // Astrophys. J. 2008. - Vol. L93. - P. 675.

55. Sala G., Greiner J., Primak N. // American Institute of Physics Conference Series. 2008. - Vol. 183. - P. 1053.

56. Sawada K. Matsuda T., Hachisu I. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1986. - Vol. 219. - P. 75.

57. Sawada I\., Matsuda T., Hachisu I. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1986. - Vol. 221. - P. 679.

58. Sawada K., Matsuda T., Inoue M., Hachisu I. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1987. - Vol. 224. - P. 307.

59. Shakhovskoj D., Grinin V., Rostopchina A. et al. // Astronom, and Astrophys. 2006. - Vol. 448. - P. 1075.

60. Shakura N. I., Sunyaev R. A., Zilitinkevich S. S. // Astronom, and Astrophys. 1978. - Vol. 62. - P. 179.

61. Sing D. K., Green E. M., Howell S. В., Holberg J. В., Lopez-Morales M., Shaw J. S., Schmidt G. D. // Astronom, and Astrophys. 2007. - Vol. 474.- P. 951.

62. Sotnikova N. Y., Grinin V. P. // Astron. Let. 2007. - Vol. 33. - P. 594.

63. Spruit H. C. // Astronom, and Astrophys. 1987. - Vol. 184. - P. 173.

64. Stanishev V., Kraicheva Z., Boffin H. M. J., Genkov V. // Astronom, and Astrophys. 2002. - Vol. 394. - P. 625.

65. Syer D., Narayan R. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1993. -Vol. 262. - P. 749.

66. Taam R. E., Ricker P. M. // ArXiv Astrophysics e-prints astro-ph/0611043.- 2006.

67. Vishniac E. Т., Diamond P. // Astrophys. J. 1989. - Vol. 347. - P. 435.

68. Cataclysmic Variable Stars / Warner B. // Cambridge Univ. Press, Cambridge. 1995.

69. Winters W. F., Balbus S. A., Hawley J. F. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 2003. - Vol. 340. - P. 519.

70. Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А. // Астрон. Журн. -1994. Т.71. - С. 560.

71. Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А., Чечеткин В. М. // Астрой. Журн. 2000. - Т. 77. - С. 31.

72. Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кайгородов П. В., Кузнецов О. А. // Астрой. Журн. 2003. - Т. 80. - С. 879.

73. Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кайгородов П. В. // Астрон. Журн. -2004. Т. 81. - С. 494.

74. Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кайгородов П. В. // Астрон. Журн. -2004. Т. 81. - С. 684.

75. Бисикало Д. В., Кайгородов П. В., Боярчук А. А. Кузнецов О. А. // Астрон. Журн. 2005. Т. 49. - С. 701.

76. Кайгородов П. В., Бисикало Д. В., Кузнецов О. А., Боярчук А. А. // Астрон. Журн. 2006. - Т. 83. - С. 601.

77. Велихов Е. П. // ЖЭТФ. 1961. - Т. 36. - С. 1399.

78. Физические процессы в межзвездной среде / Спитцер Л. // М.: Мир. 1981.

79. Сытов А. Ю., Кайгородов П. В., Бисикало Д. В. // Астрон. Журн. -2007. Т. 80. - С. 926.

80. Сытов А. Ю., Бисикало Д. В., Кайгородов П. В.,, Боярчук А. А. // Астрон. Журн. 2008. - Т. 85.

81. Фридман А. М., Бисикало Д. В. // УФН. 2008. - Т.187. - С. 577.