Структура течения вещества в тесных двойных системах с переменным темпом массообмена

Кильпио, Александр Александрович

Структура течения вещества в тесных двойных системах с переменным темпом массообмена тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Кильпио, Александр Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Структура течения вещества в тесных двойных системах с переменным темпом массообмена»

Автореферат диссертации на тему "Структура течения вещества в тесных двойных системах с переменным темпом массообмена"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи УДК 524.38

Кильпио Александр Александрович

Структура течения вещества в тесных двойных системах с переменным темпом массообмена

01.03.02 — астрофизика и радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург — 2005

Работа выполнена в Институте астрономии Российской Академии Наук.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Бисикало Дмитрий Валерьевич, Институт астрономии РАН

доктор физико-математических наук Кузнецов Олег Андреевич, Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Тутуков Александр Васильевич, Институт астрономии РАН

кандидат физико-математических наук Тамбовцева Лариса Васильевна, Главная астрономическая обсерватория РАН

Ведущая организация: Институт космических исследований

Российской Академии Наук

Защита состоится «24 »СЖХ^Ьр^ 2005 г. в 1( ч. мин, на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 при Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН

Адрес 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, дом 65, корп.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН (196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, дом 65, корп.1).

Автореферат разослан « В »ШЩ% 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Е.В. Милецкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из интереснейших и наиболее актуальных проблем современной астрофизики можно справедливо назвать исследование двойных звездных систем. Число таких объектов в наблюдаемой Вселенной существенно — по различным оценкам от 50 до 80 процентов всех звезд входит в состав двойных. Часть этих звезд, так называемые тесные двойные системы (ТДС), в ходе эволюции проходят стадию обмена веществом, когда в системе формируется сложная газодинамическая картина течения.

Одной из первых работ, в которой газодинамическая структура течения использовалась в качестве объяснения пекулярных особенностей спектра |3 Ьуг во время затмения, стала работа Струве [1]. В этой работе было выдвинуто предположение о наличии газовой струи между компонентами ТДС. Современные наблюдения позволяют с уверенностью говорить о том, что картина течения в ТДС на стадии обмена веществом состоит из газовых потоков, струй, аккреционных дисков, межкомпонентных оболочек и других структур (см., напр., [1-3]). Кроме того, предполагается, что большинство наблюдательных проявлений, характеризующихся выделением большого количества энергии, обусловлено процессами обмена веществом и аккреции в двойных системах.

Все сказанное выше позволяет утверждать, что исследование газодинамики вещества в ТДС представляет собой действительно актуальную астрофизическую задачу, поскольку результаты, получаемые при моделировании, позволяют интерпретировать имеющиеся на сегодняшний день наблюдательные данные и расширить наше представление о физических явлениях, протекающих

в ТДС. Более того, сегодня мы располагаем достаточно мощными инструментальными средствами для проведения численных экспериментов — современный уровень развития вычислительной техники, математических и численных методов позволяет создавать трехмерные газодинамические модели ТДС с достаточно высоким пространственным разрешением, описывающие поведение исследуемых систем на достаточно больших временных интервалах.

В данной диссертации исследовались процессы, протекающие в ТДС на стадии обмена веществом. Основной акцент сделан на изучении структуры течения вещества между компонентами ТДС в случаях, когда темп массообмена не постоянен.

Цель диссертации

Значительное количество исследований массообмена в ТДС (см., напр., [4]) проводилось в предположении, что его скорость постоянна Однако из наблюдений известно, что существуют системы, где темп массообмена изменяется с течением времени. Данная диссертационная работа посвящена исследованию структуры течения вещества именно в таких ТДС. Моделирование и исследование структуры течения вещества в подобных системах необходимо для интерпретации наблюдательных данных.

Основное внимание в диссертации уделяется исследованию структуры течения вещества между компонентами системы и формирующегося аккреционного диска. В работе рассматривались системы без магнитного поля. В качестве метода исследования использовалось численное решение трехмерной системы газодинамических уравнений Эйлера.

При работе над диссертацией были поставлены следующие

цели:

• исследовать структуру течения вещества в ТДС после прекращения обмена веществом между компонентами;

• оценить влияние вязкости на время существования аккреционного диска после прекращения массообмена;

• изучить особенности структуры течения вещества в ТДС после уменьшения темпа массообмена;

• исследовать процесс формирования спирально-вихревой структуры в аккреционных дисках двойных систем.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

• Исследована картина течения вещества в ТДС после прекращения массообмена и проведены оценки времени жизни остаточного аккреционного диска в зависимости от численной вязкости, которая варьировалась путем изменения параметров расчетной сетки.

• Проведены исследования структуры течения вещества после изменения темпа массообмена в ТДС. Показано, что вариации скорости массообмена могут приводить к формированию сгустка вещества в аккреционном диске.

• Показано, что данный сгусток представляет собой спиральную волну плотности.

• Анализ параметров сгустка, полученных при моделировании, и сравнение их с наблюдательными данными позволили сделать вывод о наличии таких спиральных волн плотности в аккреционных дисках ряда катаклизмических переменных звезд.

Практическая значимость

Основные результаты данной диссертации, определяющие ее практическую и научную значимость, опубликованы в авторитетных астрономических и физических изданиях и использованы в различных работах российскими и зарубежными учеными Существенный отклик получило обнаружение сгустка вещества в аккреционных дисках ТДС и его интерпретация как спиральной волны плотности Результаты диссертации могут использоваться для объяснения ряда особенностей кривых блеска катаклизмиче-ских переменных с аккреционными дисками

Апробация результатов

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Института астрономии РАН, а также были представлены на конференциях "Взаимодействующие двойные звезды —2003" (Одесский ГУ, г. Одесса, Украина, 2003), на международной конференции "Progress in Study of Astrophysical Discs 2003" (Волгоградский ГУ, г Волгоград), "XXII Texas Symposium on Rela-tivistic Astrophysics" в 2004 г. (г. Пало-Альто, Стэнфордский университет, США, 2004), "Interacting Binaries: Accretion, Evolution and Outcomes" (г. Чефалу, Италия, 2004).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения Число страниц диссертации — 101, рисунков — 23, наименований в списке литературы — 81.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обсуждается актуальность темы диссертационной работы, описываются цели, поставленные при ее написании, формулируется постановка задачи, предмет и метод исследования. Во Введении также приведен краткий обзор содержания работы, обсуждается новизна и научная значимость полученных результатов.

Глава 1 («Газодинамика переноса вещества в ТДС») посвящена описанию физической, математической и численной моделей, использованных в диссертационной работе.

В Параграфе 1.1 («Обмен веществом в тесных двойных системах») приведено описание физической модели В работе предполагалось, что ТДС на стадии обмена веществом представляет собой полуразделенную систему, то есть такую, где один из компонентов заполняет свою полость Роша Поле сил описывалось стандартным потенциалом Роша Градиент давления во внутренней точке Лагранжа оказывается несбалансированным другими силами, в результате чего в такой системе начинается обмен веществом через окрестность внутренней точки Лагранжа (£,) Струя вещества из Л, формирует в дальнейшем структуру течения вещества, в том числе и аккреционный диск. Изменения в темпе массообмена будут приводить к изменениям параметров струи и картины течения вещества в целом.

В Параграфе 1.2 («Математическая модель массопереноса») приводится система уравнений трехмерной гравитационной газовой динамики, которые использовались для моделирования течения вещества в ТДС. Обосновывается адекватность выбора системы трехмерных уравнений Эйлера для описания процессов обмена веществом в двойных системах.

В Параграфе 1.3 («Численная модель») приводится описание схемы Роу — Ошера, которая применялась для численного решения

системы газодинамических уравнений Делается вывод о том, что выбранная численная схема Роу — Ошера высокого порядка аппроксимации позволяет получить реалистичные с физической точки зрения решения. Решения, полученные с использованием этой схемы, адекватно отражают структуру течения вещества, включающую ударные волны и тангенциальные разрывы, не приводя к искусственным осцилляциям и размыванию особенностей течения.

Глава 2 («Изменения в картине течения вещества в ТДС после прекращения массообмена») посвящена обсуждению результатов трехмерного численного моделирования структуры течения вещества в ТДС после прекращения массообмена. Приводится оценка зависимости времени жизни остаточного аккреционного диска после прекращения массообмена в ТДС от вязкости.

В Параграфе 2.1 («Структура течения вещества в ТДС с постоянным темпом массообмена») приводится описание картины течения вещества после установления стационарного режима (через 12 орбитальных периодов после начала расчета). Обсуждается структура течения вещества в стационарном случае, показано, что в ТДС формируется аккреционный диск, межкомпонентная оболочка, а взаимодействие струи вещества из внутренней точки Лагранжа и диска не является ударным. В дальнейшем это решение используется в качестве начального при рассмотрении задач с переменным темпом массообмена.

В Параграфе 2 2 («Изменение общей структуры течения после прекращения массообмена») приводится описание результатов исследования картины течения вещества в ТДС после полного прекращения переноса вещества через точку Ц. Рассмотрены изменения морфологии течения вещества: показано, что после прекращения массообмена, по истечении ~ 0,16Рорб, струя вещества из Ц перестает влиять на структуру остаточного аккреционного диска, а его форма меняется от изначальной квазиэллиптической

до практически круглой. В рассчитанной структуре аккреционного диска исчезает ударная волна, расположенная вдоль края струи из («горячая линия»), В то же время в диске формируется второй рукав приливной спиральной ударной волны. По результатам расчетов делается вывод о том, что приливные спиральные ударные волны существуют в остаточном аккреционном диске на протяжении практически всего времени его жизни.

Параграф 2.3 («Зависимость времени жизни остаточного аккреционного диска от вязкости») посвящен исследованию влияния вязкости в системе на время существования аккреционного диска в ТДС после прекращения массообмена Поскольку используемые уравнения Эйлера не учитывают физическую вязкость, в расчетах варьировалась численная вязкость путем изменения параметров расчетной сетки. Для исследования было выбрано три разрешения сетки: 31x31x17, 61x61x17 и 91x91x25 узлов, что в терминах а-диска (а — безразмерный параметр Шакуры — Сюняева [5,6]) соответствовало значениям а ~ 0,08-0,1, 0,04-0,06 и 0,01-0,02. Показано, что с уменьшением вязкости время жизни диска тджк увеличивается: для варианта расчета а»0,1 (с сеткой 31x31x17) г^ ~5Р„Г>6-, для варианта аг«0,05 (с сеткой 61x61x17) ттск«12/^; а для варианта с типичным для карликовых новых параметром а »0,01 (с сеткой 61x61x17) экстраполяция расчетов показывает, что время жизни диска в такой системе будет составлять 50—70 орбитальных периодов.

Глава 3 («Численное моделирование газодинамики в ТДС с переменным темпом массообмена») посвящена исследованию структуры течения при непостоянном темпе обмена массой между компонентами ТДС. В главе приводится описание структуры, возникающей в аккреционных дисках в результате газодинамического возмущения после изменения темпа массообмена. Исследуются случаи уменьшения темпа массообмена в 2, 5 и 10 раз.

В Параграфе 3.1 («Структура течения вещества в ТДС после изменения темпа массообмена») описываются изменения структуры течения и аккреционного диска после уменьшения темпа массообмена в 2 и 10 раз. Показано, что на начальном этапе, когда остаток более плотной струи в течение 0,16Рор6 долетает до аккреционного диска, картина оказывается практически идентичной случаю со стационарным темпом массообмена.

В Параграфе 3 2 («Изменение структуры аккреционного диска при уменьшении темпа массообмена») описывается переходный этап, начинающийся от прихода к диску остатков плотной струи и заканчивающийся через ~ 15Рорб установлением нового стационарного решения На этом этапе картина течения определяется взаимодействием более плотного вещества диска с разреженной (в 2 или в 10 раз, в зависимости от варианта расчета) струей из внутренней точки Лагранжа. Показано, что в этот период времени форма аккреционного диска, аналогично случаю с полным прекращением массообмена, меняется от изначальной квазиэллиптической до практически круглой В рассчитанной структуре аккреционного диска формируется второй рукав приливной спиральной ударной волны. После выхода на повторный стационар единая морфология системы струя — диск восстанавливается, отличаясь лишь пониженной плотностью вещества диска.

В Параграфе 3 3 («Формирование сгустка вещества в аккреционных дисках») описывается возникновение плотной структуры, сгустка. Сгусток появляется в системе сразу после того, как газодинамическое возмущение, возникающее при изменении темпа массообмена, достигает аккреционного диска. После этого сгусток продолжает существовать в системе, вращаясь с периодом 0,15 -0,1 %Рор6 . Сгусток обращается по диску и после выхода на повторный квазистационар — по прошествии нескольких десятков орбитальных периодов после изменения темпа массообмена он по-прежнему присутствует в системе, вращаясь и взаимодействуя

с рукавами спиральной ударной волны. Далее в параграфе рассматривается зависимость от времени плотности вещества, усредненной по полуплоскости Хг (У=0, Х>1), секущей аккреционный диск. Показано, что для случаев изменения темпа массообмена в 2, 5 и 10 раз, а также полного прекращения массообмена в системе, наряду с общим изменением плотности существуют ее периодические колебания с периодом около 1/6 Рарб, вызванные прохождением сгустка. Делается вывод о том, что для наблюдателя такое вращение сгустка может выражаться в изменении блеска наблюдаемого объекта.

Глава 4 («Природа сгустка в аккреционных дисках ТДС с переменным темпом массообмена») посвящена исследованию механизмов возникновения сгустка, описанного в Главе 3, и доказательству его волновой природы. В главе также приводятся возможные свидетельства наличия таких сгустков в дисках наблюдаемых катаклизмических переменных.

В Параграфе 4.1 («Возникновение коллективной моды ш=1 в диске ТДС после изменения темпа массообмена») приводится описание исследования фурье-спектров по азимутальным гармоникам части потенциала Ф = ф-ф^ (здесь из общего потенциала вычитается сферически-симметричный потенциал аккретора) в различных радиальных областях диска, а также фурье-спектр поверхностной плотности диска. Как и следовало ожидать, в спектре потенциала доминирует гармоника ш=2, связанная с приливным воздействием донора. Тем не менее, гравитационная сила не является определяющей при распределении вещества диска. Анализ фурье-спектра поверхностной плотности показывает, что практически для всех областей диска в спектре поверхностной плотности преобладает мода ш=1, что согласуется с наличием в диске рассматриваемого уплотнения.

В Параграфе 4.2 («Спирально-вихревая структура в аккреционных дисках») приводятся доказательства того, что мода т=1 представляет собой спирально-вихревую однорукавную структуру

Здесь показано, что положение фазовой кривой максимальной плотности первой азимутальной гармоники профиля плотности в каждый момент времени жестко связано со сгустком вещества. Совершив полный оборот, фазовая кривая максимальной плотности практически не изменяет своей формы, что свидетельствует о том, что дифференциальное вращение диска не размывает эту гармонику.

Анализ поля скоростей в плоскости диска в системе координат, связанной со сгустком, показывает наличие антициклонического вихря за уплотнением. Центр этого антициклона, в полном соответствии с теорией спиральных волн плотности в галактических дисках, согласно которой наличие однорукавной спиральной волны должно сопровождаться антициклоническим вихрем с центром на радиусе коротации, практически всегда находится в окрестности максимума поверхностной плотности, то есть в окрестности сгустка, с центром на коротационной окружности. Таким образом, можно привести следующие доказательства того, что мода т=1 представляет собой спирально-вихревую однорукавную структуру:

а) мода т=1 вращается с отличной от приливной моды т—2 фазовой скоростью;

б) мода т=1 не размывается дифференциальным вращением вещества диска;

в) по аналогии с галактическими дисками, наличие спиральной волны должно приводить к формированию антициклонического вихря вблизи сгустка с центром на радиусе коротации. В расчетах антициклон оказался точно в указанной области диска

В Параграфе 4 3 («Фурье-анализ кривых блеска и сравнение с результатами численного моделирования») приводятся результаты анализа кривых блеска катаклизмических переменных TP Peg и WX Ari, показывающие переменность их внезатменных частей, что может быть объяснено наличием спирально-вихревой структуры в аккреционных дисках этих систем. При помощи метода спектрального анализа иррегулярных временных рядов CLEAN [7] в

модификации Хеслопа и Деккерса [8] был выполнен анализ спектров кривых блеска рассматриваемых звезд. Показано, что в спектре, соответствующем кривой блеска IP Peg в линии Hell (4686Ä), имеется ярко выраженный компонент с частотой 5,5Q.op6. В спектре континуума также преобладает гармоника с частотой 5,5 С10рб. Делается

вывод о том, что в случае IP Peg оптически плотный сгусток с меньшей излучательной способностью, вращаясь в плоскости аккреционного диска, периодически закрывает от наблюдателя горячую область вблизи аккретора, излучающую в линии Hell (4686Ä), что приводит к периодическим изменениям внезатменной части кривой блеска. Похожее явление отмечено и для WX Ari, где в спектре кривой блеска доминирует гармоника 6,25 Qop6. Таким образом, анализ кривых блеска наблюдаемых катаклизмических переменных, обладающих характеристиками, в достаточной степени соответствующими характеристикам численной модели, позволяет делать вывод о наличии изменений яркости на внезатменной части этих кривых с частотой около 1/6 орбитального периода, что совпадает с периодом обращения сгустка, полученным в численной модели.

В Заключении перечисляются основные положения, выносимые на защиту, приводится список опубликованных статей по теме диссертации, а также конференций, где были представлены основные результаты. Отмечается личный вклад автора в совместных работах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

На защиту выносятся следующие положения:

1. По результатам трехмерного численного газодинамического моделирования структуры течения вещества в тесных двойных системах после прекращения массообмена оценено время жизни остаточного аккреционного диска. Показано что для значений параметра Шакуры — Сюняева а «0,08-0,1, 0,05-0,06 и 0,01-0,02 время жизни остаточного аккреционного диска в ТДС составляет 5, 12—15 и 50—70 орбитальных периодов, соответственно.

2. Исследована структура аккреционного диска в ТДС с переменным темпом массообмена Показано, что газодинамическое возмущение диска, вызванное вариациями темпа массообмена, приводит к формированию сгустка вещества в диске.

3. Анализ результатов расчетов показал, что сгусток представляет собой спиральную волну плотности. Исследование поля скоростей диска выявило наличие антициклонического вихря с центром в окрестности радиуса коротации в соответствии с теорией спиральных волн плотности.

4 Фурье-анализ внезатменных частей кривых блеска катак-лизмических затменных переменных ГР Ред и \УХ Ап выявил наличие в них квазипериодических изменений яркости. Эти изменения могут быть вызваны наличием в аккреционных дисках этих звезд обнаруженных в расчетах спиральных волн плотности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В совместных работах участие автора в постановке задачи, проведении расчетов и анализе результатов равное с другими соавторами. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Бисикало Д.В., Боярчук А.А., Кипъпио А.А., Кузнецов О.А., Чечеткин В.М. Структура газовых потоков в полуразделенных двойных системах после прекращения массообме-на IIАстрономический журнал. — 2001. — Т.78. — С. 707—716

2. Бисикало Д.В., Боярчук А.А., Кильпио А.А., Кузнецов О.А. О возможных наблюдательных проявлениях спиральных ударных волн в CVs // Астрономический журнал. — 2001,—Т 78,— С. 780-790.

3. Kilpio A. On the Estimation of the Lifetime of the Accretion Disk // Odessa Astronomical Publications. - 2001. - Vol. 14. - Pp. 38-40.

4. A.M. Fridman, A.A. Boyarchuk, D.V. Bisikalo, O.A. Kuznetsov, O.V. Khoruzhu, Yu.M. Torgashin, and A. A. Kilpio. The collective mode and turbulent viscosity in accretion discs // Phys. Lett A. — 2003 -Vol. 317. - Pp. 181-198.

5. A.M. Fridman, A.A. Boyarchuk, D.V. Bisikalo, O.A. Kuznetsov, O.V. Khoruzhii, Yu.M. Torgashin, and A. A. Kilpio. From hydrody-namical instability to turbulent viscosity in accretion disks // Plasmas in the laboratory and in the universe: New Insights and New Challenges AIP Conference Proceedings. - 2004. - Vol 703. - Pp. 250-259.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Struve О. The Spectrum of В Lyrae // Astrophysical Journal. — 1941. -Jan.-Vol. 93.-Pp. 104.

2. Pringle J. E., Wade R. A. Interacting binary stars — Cambridge University Press, 1985.

3. Гончарский А. В., Черепащук A. M., Ягола А. Г. Некорректные задачи астрофизики. — Москва: Наука, 1985.

4. Mass transfer in close binary stars / Boyarchuk A. A , Bisikalo D. V., Kuznetsov O. A., Chechetkin V. M. — London: Taylor & Frances, 2002.

5. Шакура Н.И. Дисковая модель аккреции газа релятивистской звездой в двойной системе // Астрон. Журн. — 1972. — Т.49. — С. 291-929

6. Shakura N. /., Sunyaev R. A. Black holes in binary systems. Observational appearance. I I Astronom. and Astrophys. — 1973. — Vol. 24,— Pp. 337-355.

7. Roberts D. H., Lehar J., Dreher J. W. Time Series Analysis with Clean - Part One - Derivation of a Spectrum Astron. // J. V. — 1987. — Apr. - Vol. 93, № 4. - Pp. 968.

8. Heslop D., Dekkers M. J. Spectral analysis of unevenly spaced climatic time series using CLEAN: signal recovery and derivation of significance levels using a Monte Carlo simulation. // Phys. Earth Plan. Inter. — 2002. — Vol. 130, Issue 1-2.-Pp. 103-116.

Для заметок

Заказ № 1660 Подписано в печать 07.09.05 Тираж 120 экз. Усл. п.л.0,6

^г N ООО "Цифровичок", тел. (095) 797-75-76 www.cfr.ru; е-тай: info@cfr.ru

№164 6 7

РНБ Русский фонд

2006-4 19719

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кильпио, Александр Александрович

Введение.

Глава 1. Газодинамика переноса вещества в ТДС.

1.1. Обмен веществом в тесных двойных системах.

1.2. Математическая модель массопереноса.

1.3. Численная модель.

Глава 2. Изменения в картине течения вещества в ТДС после прекращения массообмена.

2.1. Структура течения вещества в ТДС с постоянным темпом массообмена.

2.2. Изменение общей структуры течения после прекращения массообмена.

2.3. Зависимость времени жизни остаточного аккреционного диска от вязкости.

Глава 3. Численное моделирование газодинамики в ТДС с переменным темпом массообмена.

3.1. Структура течения вещества в ТДС после изменения темпа массообмена.

3.2. Изменение структуры аккреционного диска при уменьшении темпа массообмена.

Глава 4. Природа сгустка в аккреционных дисках ТДС с переменным темпом массообмена.

4.1. Возникновение коллективной моды ш = 1 в диске ТДС после изменения темпа массообмена.

4.2. Спирально-вихревая структура в аккреционных дисках f> '-» 4.3. Фурье-анализ кривых блеска и сравнение с резульv татами численного моделирования.

Введение диссертация по астрономии, на тему "Структура течения вещества в тесных двойных системах с переменным темпом массообмена"

Актуальность темы

Одной из первых работ, в которой газодинамическая структура течения использовалась в качестве объяснения пекулярных особенностей спектра р Lyr во время затмения, стала работа Струве [1]. В этой работе было выдвинуто предположение о наличии газовой струи между компонентами ТДС. Современные наблюдения позволяют с уверенностью говорить о том, что картина течения в ТДС на стадии обмена веществом состоит из газовых потоков, струй, аккреционных дисков, межкомпонентных оболочек и других структур (см., напр., [1—7]). Кроме того, предполагается, что большинство наблюдательных проявлений, характеризующихся выделением большого количества энергии, обусловлено процессами обмена веществом и аккреции в двойных системах. лучаемые при моделировании, позволяют интерпретировать имеющиеся на сегодняшний день наблюдательные данные и расширить наше представление о физических явлениях, протекающих в ТДС. Более того, сегодня мы располагаем достаточно мощными инструментальными средствами для проведения численных экспериментов — современный уровень развития вычислительной техники, математических и численных методов позволяет создавать трехмерные газодинамические модели ТДС с достаточно высоким пространственным разрешением, описывающие поведение исследуемых систем на достаточно больших временных интервалах.

Цель диссертации

Значительное количество исследований массообмена в ТДС (см., напр., [8—17]) проводилось в предположении, что его скорость постоянна. Однако из наблюдений известно [18—20], что существуют системы, где темп массообмена изменяется с течением времени. Данная диссертационная работа посвящена исследованию структуры течения вещества именно в таких ТДС. Моделирование и исследование структуры течения вещества в подобных системах необходимо для интерпретации наблюдательных данных.

При работе над диссертацией были поставлены следующие цели:

• исследовать структуру течения вещества в ТДС после прекращения обмена веществом между компонентами;

• оценить влияние вязкости на время существования аккреционного диска после прекращения массообмена;

• изучить особенности структуры течения вещества в ТДС после уменьшения темпа массообмена;

• исследовать процесс формирования спирально-вихревой структуры в аккреционных дисках двойных систем.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые получены следующие, результаты:

Практическая и научная значимость

Основные результаты данной диссертации, определяющие ее практическую и научную значимость, опубликованы в авторитетных астрономических и физических изданиях и использованы в различных работах российскими и зарубежными учеными. Существенный отклик получило обнаружение сгустка вещества в аккреционных дисках ТДС и его интерпретация как спиральной волны плотности. Результаты диссертации могут использоваться для объяснения ряда особенностей кривых блеска катаклизмических переменных с аккреционными дисками.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Число страниц диссертации — 101, рисунков — 23, наименований в списке литературы — 81.

Заключение диссертации по теме "Астрофизика, радиоастрономия"

Заключение

На защиту выносятся следующие положения:

1. По результатам трехмерного численного газодинамического моделирования структуры течения вещества в тесных двойных системах после прекращения массообмена оценено время жизни остаточного аккреционного диска. Показано, что для значений параметра Шакуры — Сюняева ««0,08-0,1, 0,04-0,06, 0,01-0,02 время жизни остаточного аккреционного диска в ТДС составляет 5, 12—15 и 50—70 орбитальных периодов, соответственно.

2. Исследована структура аккреционного диска в ТДС с переменным темпом массообмена. Показано, что газодинамическое возмущение диска, вызванное вариациями темпа массообмена, приводит к формированию сгустка вещества в диске.

4. Фурье-анализ внезатменных частей кривых блеска ка-таклизмических затменных переменных IP Peg и WX Ari выявил наличие в них квазипериодических изменений яркости. Эти изменения могут быть вызваны наличием в аккреционных дисках этих звезд обнаруженных в расчетах спиральных волн плотности.

Апробация результатов

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Института астрономии РАН, а также были представлены на конференциях "Взаимодействующие двойные звезды —2003" (Одесский ГУ, г. Одесса, Украина, 2003), на международной конференции "Progress in Study of Astrophysical Discs 2003" (Волгоградский ГУ, г. Волгоград), "XXII Texas Symposium on Relativistic Astrophysics" в 2004 г. (г. Пало-Альто, Стэнфордский университет, США, 2004), "Interacting Binaries: Accretion, Evolution and Outcomes" (г. Чефалу, Италия, 2004).

Публикации по теме диссертации

1. Бисикало Д.В., Боярчук А.А., Килъпио А.А., Кузнецов О.А., Че-четкин В.М. Структура газовых потоков в полуразделенных двойных системах после прекращения массообмена // Астрономический журнал. - 2001. - Т. 78. - С. 707-716.

2. Бисикало Д.В., Боярчук А.А., Килъпио А.А., Кузнецов О.А. О возможных наблюдательных проявлениях спиральных ударных волн в CVs //Астрономический журнал. — 2001.— Т.78.— С. 780—790.

Ъ-KilpioA. On the Estimation of the Lifetime of the Accretion Disk//Odessa Astronomical Publications. — 2001. — Vol. 14. — Pp. 38-40.

4. A.M. Fridman, A.A. Boyarchuk, D.V. Bisikalo, O.A. Kuznetsov, O.V. Khoruzhii, Yu.M. Torgashin, and A. A. Kilpio. The collective mode and turbulent viscosity in accretion discs // Phys. Lett. A. — 2003. -Vol. 317. - Pp. 181-198.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям, д.ф.-м.н. Дмитрию Валерьевичу Бисикало и д.ф.-м.н. Олегу Андреевичу Кузнецову за постоянную поддержку и внимание к работе, а также академику РАН Александру Алексеевичу Боярчуку и академику РАН Алексею Максимовичу Фридману за плодотворные обсуждения результатов и ценные рекомендации в процессе работы.

Список источников диссертации и автореферата по астрономии, кандидата физико-математических наук, Кильпио, Александр Александрович, Санкт-Петербург

1. Struve О. The Spectrum of В Lyrae //Astrophysical Journal. — 1941. - Jan. - Vol. 93. - pp. 104.

2. Batten A. Binary and Multiple Systems of Stars. — Oxford: Pergamon Press, 1973.

3. Sahade J., WoodF. B. Interacting Binary Stars. — Oxford: Pergamon Press, 1978.

4. PringleJ.E., Wade R. A. Interacting binary stars. — Cambridge University Press, 1985.

5. Interacting binaries / Shore S. N., Livio M., van den Heuvel, Edward P. J. Berlin: Springer, 1994.

6. Гончарский А. В., Черепащук A. M., Ягола А. Г. Некорректные задачи астрофизики. — Москва: Наука, 1985.

7. Warner В. Cataclysmic variable stars. — Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1995.

8. Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Килъпио А. А. Структура газовых потоков в полуразделенных двойных системах после прекращения массообмена //Астрон. Журн. 2001. - Т. 78, № 8. - С. 707-716.

9. Влияние вязкости на морфологию течения вещества в полуразделенных двойных системах. Результаты трехмерного численного моделирования / Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А., Чечеткин В. М. // Астрон. Журн. — 2000. — Т. 77. — С. 31-41.

10. Влияние общей оболочки двойной системы на перенос вещества через внутреннюю точку Лагранжа / Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А., Чечеткин В. М. // Астрон. Журн. — 1997. Т. 74, № 6. - С. 889-897.

11. Сравнение результатов двумерного и трехмерного моделирования массообмена в полуразделенных двойных системах / Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А. и др. // Астрон. Журн. 1999. - Т. 76, № 12. - С. 905-916.

12. Трехмерное моделирование обмена веществом в тесных двойных системах с несинхронным вращением / Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А., Чечеткин В. М. // Астрон. Журн. — 1999. Т. 76, № 4. - С. 270-282.

13. Трехмерное моделирование структуры течения вещества в полуразделенных двойных системах / Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А., Чечеткин В. М. // Астрон. Журн. — 1997. Т. 74, №6. - С. 880-888.

14. Mass transfer in close binary stars / Boyarchuk A. A., Bisikalo D. V., Kuznetsov O. A., Chechetkin V. M. — London: Taylor & Frances, 2002.

15. On the angular momentum transfer on to compact stars in binary systems / Molteni D., Kuznetsov O. A., Bisikalo D. V., Boyarchuk A. A.//Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. — 2001. — Nov. Vol. 327. - pp. 1103-1110.

16. Three-dimensional numerical simulation of gaseous flow structure in semidetached binaries / Bisikalo D. V., Boyarchuk A. A., Chechetkin V. M. et al. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. — 1998. Oct.- Vol. 300. - pp. 39-48.

17. Eccentric discs in binaries with intermediate mass ratios: superhumps in the VY Sculptoris stars / Murray J. R., Warner В., Wickramasinghe D. T. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. — 2000. -Jul. Vol. 315. - pp. 707-712.

18. Ritter H. Turning on and off mass transfer in cataclysmic binaries // Astronom. and Astrophys. — 1988. — Aug. — Vol. 202, № 1-2. -pp. 93-100.

19. Schreiber M. R., Gansicke В. Т., Hessman F. V. The response of a dwarf nova disc to real mass transfer variations // Astronom. and Astrophys. 2000. - Vol. 358. - pp. 221-228.

20. Shakura N. I., Sunyaev R. A. Black holes in binary systems. Observational appearance.//Astronom. and Astrophys. — 1973. — Vol. 24.- pp. 337-355.

21. Tassoul J.-L. Theory of Rotating stars. — Princeton: Princenton University Press, 1978.

22. Бисноватый-Коган Г. С. Физические процессы теории звездной эволюции. — Москва: Наука, 1989.

23. Zahn J. P. Les marees dans une etoile double serree (suite et fin). // Annales dAstrophysique. — 1966. — Feb. — Vol. 29. — pp. 565.

24. Zahn J. P. The dynamical tide in close binaries.//Astronom. and Astrophys. 1975. - Jul. - Vol. 41, № 3-4. - pp. 329-344. .

25. Edouard Roche. La figure d'une masse fluide soumise a l'attraction d'un point eloigne. // Acad, des sciences de Montpellier. — 1847-1850 — Vol. 1 pp. 243.

26. Kopal Z. Close binary systems. — The International Astrophysics Series, London: Chapman & Hall, 1959.

27. Plavec M., Kratochvil P. Tables for the Roche model of close binaries. // Bulletin of the Astronomical Institute of Czechoslovakia. — 1964. Vol. 15. - pp.165.

28. Silber A. Studies of an X-Ray Selected Sample of Cataclysmic Variables. // Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1992.

29. Годунов С. К. Разностный метод численного расчета разрывных решений гидродинамики. //Матем. сборник. — 1959. — Т. 447, вып. 3.-С. 271-306.

30. Roe P. L. Characteristic-based schemes for the Euler equations//Annual review of fluid mechanics.— 1986. — Vol. 18. — pp. 337-365.

31. Lax P. D., Wenroff B. Difference schemes for hyperbolic equations with high order for accuracy.//Comm. Pure Appl. Math. — 1964. — Vol. 17, № 3. pp. 381-398.

32. Beam R. M., Warming R. F. An implicit finite-difference algorithm for hyperbolic systems in conservation law form. // J. Comput. Phys. — 1976. Vol. 22, № 9. - pp. 87-110.

33. Fromm J. E. A method for reducing dispersion in convective difference schemes//J. CompuT. Phys. — 1968. — Vol.3, №2. — pp.176-189.

34. Harten A. A. A high resolution scheme for the computation of wear solution of hyperbolic conservation laws. // J. CompuT. Phys. — 1983. — Vol. 49. pp. 357-393.

35. Sweby P. K. High resolution schemes using flux limiters for hyperbolic conservation laws. // SIAM J. Numer. Anal. — 1984. — Vol. 21.-pp. 995-1011.

36. Вязников К. В., Тишкин В. Ф., Фаворский А. П. Построение монотонных разностных схем повышенного порядка аппроксимации для систем уравнений гиперболического типа. // Мат. моделирование. — 1989. — Т. 1, № 5. — С. 95—120.

37. Chakravarthy S. R., Osher S. A new class of high accuracy tvd schemes for hyperbolic conservation laws. // AIAA Pap. — 1985. — №85.-P. 363.

38. Prendergast К. H., Kevin H. The Motion of Gas Streams in Close Binary Systems. // Astrophysical Journal. — 1960. — Jul. — Vol. 132. — pp.162.

39. Горбацкий В. Г. Космическая газодинамика. — Москва: Физматгиз, 1977.

40. Luboxv S. Н., ShuF.H. Gas dynamics of semidetached binaries.//Astrophysical Journal. —1975. — Jun. — Vol. 198, pt. 1. — pp. 383-405.

41. Влияние общей оболочки двойной системы на перенос вещества через внутреннюю точку Лагранжа. / Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кузнецов О. А., Чечеткин В. М. // Астрон. Журн. — 1997. Т. 74, № 6. - С. 889-897.

42. Is the standard accretion disc model invulnerable? / Sawada K., Matsuda Т., Inoue M., Hachisu I. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. 1987. - Jan. - Vol. 224.- pp. 307-322.

43. On the stability of wind accretion / Matsuda Т., Sekino N., Sawada K., et al.//Astronom. and Astrophys. — 1991. — Aug. — Vol. 248, № 1. pp. 301-314.

44. Molteni D., Belvedere G., Lanzafame G. Three-dimensional simulation of polytropic accretion discs. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. -1991.- Vol. 249. pp. 748-754.

45. О возможных наблюдательных проявлениях спиральных ударных волн в CVs. / Бисикало Д. В., Боярчук А. А., Кильпио А. А., Кузнецов О. А. // Астроном. Журн. — 2001.— Т. 78. — С. 780-790.

46. Sawada К., Matsuda Т., Hachisu I. Accretion shocks in a close binary system. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc. — 1986. — Aug. -Vol. 221. pp. 679-686.

47. Интерпретация кривой блеска IP Peg в модели безударного взаимодействия струи с диском. / Хрузина Т. С., Черепащук А. М., Бисикало Д. В. и др. // Астрон. Журн. 2001. - Т. 78. - С. 625.

48. Lynden-Bell D., Pringle J. Е. The evolution of viscous discs and the origin of the nebular variables. // Monthly Notices Roy. Astronom. Soc.- 1974. Vol. 168. - pp. 603-637.

49. Meyer-Hojfmeister E., Ritter H. Accretion discs in close binaries. The Realm of Interacting Binary Stars. // Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1993.-Vol. 177.-pp. 143-148.

50. Tout C. Accretion Dsic Viscosity // Cataclysmic Variables and Related Objects, eds. A. Evans, & J. H. Wood, (Dordrecht: Kluwer) — 1996,-P. 97.

51. Armitage P. J., Livio M. Accretion Disks in Interacting Binaries: Simulations of the Stream-Disk Impact.// Astrophysical Journal — 1996 Vol. 470. - P. 1024

52. Fridman A. M. What Observations Will Be Needed to Develop a Theory for the Spiral Structure in Galaxies. // Soviet Astr. — 1986. — Sep./Oct. Vol. 30, № 5. - pp. 525.

53. BaevP. V., Makov Y. N., Fridman A. M. Formation of Spiral Whirl Structure of VK Galaxies during the Linear Stage of Hydrodynamic Instability. // Soviet Astr. Lett. 1987. - Nov./Dec. - Vol. 13, № 6. -pp.406.

54. Баев П. В., Фридман А .М. — Астрономический циркуляр 1534, 1988, С.З

55. Afanas'ev V. L., Fridman А. М. Vortex structure in the gaseous disk of the galaxy Mrk 1040. // Astronomy Letters. 1993. - Sep. - Vol. 19, Issue 5. - pp. 319-323.

56. Fridman A. M. Physics of the Gaseous and Stellar Disks of the Galaxy, Ed. I.R. King. // ASP Conf. Ser. 1994. - Vol. 66. - pp. 215.

57. Spiral-Vortex Structure in the Gaseous Disks of Galaxies / Fridman A. M., Khoruzhii О. V., Lyakhovich V. V., et al. //Astrophysics and Space Science. — 1996 — Vol. 252, Issue 1/2. — pp. 115-131.

58. Physics of Stellar Disks. / Fridman A. M., Khoruzhii О. V., Polyachenko E. V., et al. //Phys. Lett. 1999. - Vol. A264, issue 2-3. -pp. 85.

59. Fridman A. M., Khoruzhii О. V., Lyakhovich V. V. Restoring the full velocity field in the gaseous disk of the spiral galaxy NGC 157. // Astronom. and Astrophys. 2001. - Vol. 371. - pp. 538-559.

60. Lyakhovich V. V., Fridman A. M., Khoruzhii О. V. Observational determination of the nature of galactic spiral arms. // Astronomy Reports. 1996. - Jan. - Vol. 40, Issue 1. - pp. 18-28

61. Barning F. J. M. The numerical analysis of the light-curve of 12 Lacertae Bull. //Ast. Inst. Neth. 1963. - Vol. 17. - pp. 22.

62. Lomb N. R. Least-squares frequency analysis of unequally spaced data.//Astrophysics and Space Science. — 1976. — Feb. — Vol.39. — pp. 447-462.

63. Scargle J. D. Studies in astronomical time series analysis. II -Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. // Astroph. J., Part 1. 1982. - Dec. 15. - Vol. 263. - pp. 835853.

64. Roberts D. H., Lehar J., Dreher J. W. Time Series Analysis with Clean Part One - Derivation of a Spectrum Astron. //J. V. — 1987. — Apr. - Vol. 93, № 4. - pp. 968.

65. Morales-Rueda L., Marsh T. R., Billington I. Spiral structure in IP Pegasi: how persistent is it? // Mon. Not. R. Astron. Soc. —2000 — Vol. 313.-pp. 454-460.

66. Long-term photometry of WX Arietis: evidence for eclipses and dips. / Rodriguez-Gil P., Casares J., Dhillon V. S., Martinez-Pais I. G. //Astronom. and Astrophys. 2000. - Vol. 355. - pp. 181186

67. Shakura N. I., Sunyaev R. A. Black holes in binary systems. Observational appearance.//Astronom. and Astrophys. — 1973. — Vol. 24.- pp. 337-355.

68. Kilpio A. On the Estimation of the Lifetime of the Accretion Disk // Odessa Astronomical Publications. 2001. Vol.14. - Pp.38-40.

69. The collective mode and turbulent viscosity in accretion discs / Fridman A.M., Boyarchuk A.A., Bisikalo D.V. et al. // Phys. Lett. A. — 2003. Vol. 317. - pp. 181-198.

70. Витязев B.B. Спектрально-корреляционный анализ равномерных временных рядов — Издательство С.-Петербургского университета, 2001.

71. Витязев В.В. Анализ неравномерных временных рядов — рядов — Издательство С.-Петербургского университета, 2001.