Электрофотометрические исследования и частотный анализ малоамплитудных пульсирующих А-звезд тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА Государственный Астрономический институт им. П.К.Штернберга

На правах рукописи

КУСАКИН АНАТОЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

РГ 5 СД

У '/ реи

- г.^О УДК 523.841.3

ЭЛЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ МАЛОАМПЛИТУДНЫХ ПУЛЬСИРУЮЩИХ А - ЗВЕЗД

Специальность 01.03.02 астрофизика, радиоастрономия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА — 1998

Работа выполнена в Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель- кандидат физико-математических

наук В.П. Горанский.

Официальные оппоненты- доктор физико-математических

наук A.C. Расторгуев ,

доктор физико-математических наук H.H. Самусь.

Ведущая организация- Астрономическая обсерватория

Одесского государственного университета им. И.И. Мечникова.

Защита состоится 8 октября 1998 г. в 16 час. на заседании Диссертационного совета по астрономии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, шифр Д.053.05.51.

Адрес: 119899, Москва, Университетский проспект, 13. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга при МГУ (Москва, Университетский проспект, 13).

Автореферат разослан 8 сентября 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Л.Н. Бондаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Научные исследования малоамплитудных пульсирующих звезд спектрального класса А оказались актуальными благодаря быстрому развитию теории звездных пульсаций и, как следствие, развитию нового направления в современной астрофизике - звездной сейсмологии.

Наиболее распространенным типом малоамплитудной переменности звезд спектрального класса А является тип 5 Щита или согласно обозначению, принятому в ОКПЗ IV (Холопов и др., 1985) - ББСТ.

В настоящее время к звездам этого типа привлечено большое внимание наблюдателей и теоретиков. Современными достижениями в этой области считаются открытие мультипериодично-сти и идентификация пульсационных мод (собственных частот) А-звезд, что свидетельствует о сложном строении пульсирующих оболочек, возможном влиянии вращения и магнитных полей. Для исследования этих явлений чрезвычайно актуальны высокоточные и продолжительные по времени наблюдения в условиях высокогорной обсерватории, при участии в международных наблюдательных кампаниях, осуществляемых на обсерваториях, распределенных по географической долготе. Значительный интерес, в частности, для звездной сейсмологии представляют пульсирующие звезды типа БЭСТ. Исключительно важным также является изучение фотометрической переменности звезд, обладающих спектральными особенностями Л Волопаса. Это относительно редко встречающаяся группа А-звезд, имеющая неясный эволюционный статус. Только некоторая часть этой группы звезд оказывается пульсирующими переменными, причем, возможно, у некоторых звезд такие пульсации проявляются временно. Таким образом, обнаружение пульсационных частот и получение длительных рядов электрофотометрических а также спектрофотометрических наблюдений и их дальнейший частотный анализ могут дать уникальную возможность для изучения детального внутреннего строения звезд, стратификации плотности, температуры, давления с глубиной, градиента химсостава, вращения и других параметров звезд.

Целью настоящей работы является:

• Получение длительных рядов наблюдений избранных переменных типа DSCT и звезд спектрального типа А Boo;

• определение их пульсационных характеристик методами частотного анализа;

• анализ и сравнение пульсационного поведения изучаемых звезд;

• проверка факта существования на обширном статистическом материале критического значения скорости осевого вращения звезды, при котором прекращаются пульсации с большой амплитудой;

• впервые для звезд типа A Boo детальное фотометрическое исследование одного из наиболее типичных представителей этой группы - звезды V1644 Cyg ;

• подтвердить наличие мультипериодичности у звезды VI644 Cyg, установить точные значения частот и амплитуд пульсационных мод;

• исследовать временную стабильность амплитуд мод;

• на основе исследованной в диссертации выборки звезд типа DSCT и пульсирующих звезд типа А Boo, сравнить характер пульсационных проявлений у этих двух взаимоперекрываю-щихся типов звезд.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Автору принадлежат открытия трех переменных звезд типа DSCT : V509 Per (HD 18878), HD 219891 и FL Cnc (HD 74292) и независимое открытие переменности звезды V377 Сер.

2. Впервые открыты и исследованы мультипериодические пульсации у звезд V509 Per, V377 Сер и DL UMa, определены их доминирующие периоды и периоды вторичных волн в кривых блеска.

3. Впервые открыты быстрые изменения амплитуд и периодов пульсационных волн при мультипериодических пульсациях в

шкале несколько суток у звезд типа DSCT. Ранее такие быстрые изменения не были известны у объектов этого класса.

4. Впервые у звезды FL Спс со спектральными особенностями Л Boo обнаружен необычный тип пульсаций. Частоты многочисленных возникающих и исчезающих периодических компонентов в кривой блеска не концентрируются к дискретным частотам, которыми у обычных звезд являются пульсаци-онные моды. При этом максимальные амплитуды колебаний достигаются на двух выделяющихся частотах с отношением 1:2. Ранее такое поведение не было известно ни у одной звезды типа DSCT.

5. Впервые была организована крупная трехлетняя международная кампания по звезде типа A Boo. Объектом исследования была V1644 Cyg (29 Cyg). Кампания уникальна и по количеству наблюдений. Автором было получено более 5500 измерений за 400 часов, причем часть в 4 полосах спектра одновременно. Впервые были получены плотные и многочисленные наблюдения для звезды типа A Boo.

6. Впервые подробно описаны характерные детали малоампли-тудиых пульсаций звезд с особенностями А Boo в спектре: характерные времена и амплитуды изменений составляющих частотного спектра, радикальные сезонные и суточные изменения амплитуд компонентов.

Научная и практическая значимость данной работы состоит в том, что полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы при построении теоретических пульсацион-ных моделей звезд, идентификации спектра возбужденных мод, для определения внутренних параметров звезд и др.

Апробация.

Результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на заседаниях семинара по звездной астрономии ГАИШ МГУ, на международной конференции " Магнитные поля звезд" (Нижний Архыз, 1996), на XXVI конференции по химически-пекулярным звездам (Вена, 1997) и на международной конференции по исследованию переменных звезд (Брно, 1997). Все основные результаты опубликованы в астрономических изданиях.

Все результаты, изложенные в диссертации, полностью опубликованы в 11 работах (9 из них в соавторстве).

Структура и обьем диссертации.

Диссертация состоит из пяти глав и заключения. Общий обьем диссертации 111 страниц, в том числе 35 рисунков, 2 таблицы и 11 страниц списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается краткий обзор истории изучения пульсирующих звезд в области пересечения полосы нестабильности с главной последовательностью. Значительное внимание уделяется звездам типа DSCT. Рассматриваются характерные особенности пульсационных проявлений этого типа звезд, вопрос взаимосвязи между амплитудой пульсаций и скоростью их вращения. Дается краткий обзор исследований звезд спектрального типа Л Boo, часть из которых показывет фотометрическую переменность, не отличающуюся от переменности звезд типа DSCT. Здесь также рассматриваются некоторые общие характеристики звезд типа Л Boo, вопросы их эволюционного статуса и переменности блеска. На примере исследования автором переменной типа Л Boo V1644 Cyg обосновывается необходимость организации международных кооперативных наблюдательных программ для исследований звезд этого типа.

Во второй главе определяется научная проблема, поставленная автором. Первые малоамплитудные переменные звезды были открыты автором в результате долговременного мониторинга сети опорных звезд Каталога У/ВУК-псличин ярких звезд северного неба (Корнилов и др., 1991). Фотометрические наблюдения по теме диссертации проводилсь автором на высокогорной обсерватории по стандартной методике, разработанной в ГАИШ.

Таблица 1

OKI13 HD Другие имена Прямое восхождение Склонение 2000.0 V W-B B-V V-R Амплитуда переменности Тип Var Класс Sp Автор открытия переменности

V509 Per HD 18878 BD+47" 760 SAO 38543 03|>03т56'.76 +47°50'54".6 6т.473 0.082 0.279 0.245 0m.159W 0.111В 0.108V 0.081R 6 Set F0V Автор (1990)

V377 Сер НО 221142 ГШ + 85 399 SAO 3904 NSV 14566 23 24 20.31 +86 25 04.1 6.619 0.07V 0.08В 6 Set A9 III-IV Шварпшильд (1912) Антор и др. (независ.)

DL UMa HD 82620 BD+70°567 SAO 17934 PPM 17121 HIP 47165 09 36 40.85 +69 38 11.0 7.174 0.047 0.301 0.254 0.06V 0.07В 6 Set F0V Генриксон (1977)

HD 219891 HR 8870 23 19 02.44 +45 08 12.2 6.524 0.141 0.162 0.144 0.025V S Set A5Vn Автор и Миронов

FLCnc HD74292 BD+32 1782 SAO 61019 08 44 14.89 +32 03 45.1 7.032 0.030 0.233 0.211 0.10W 0.07В 0.06V 0.05R 6 Set A2V (A Boo) Автор (1994)

VI644 Cyg HD 192640А 29 Cyg HR 7736 20 14 32.02 +36 48 22.7 4.945 0.031 0.160 0.046V S Set, A2V (A Boo) Гиз и Перси (1977)

0.133

Эти наблюдения позволяют выявлять множество малоамплитудных периодических составляющих в кривых блеска переменных звезд и определять их частоты и амплитуды. Частотный анализ выполнялся на основе программы Брегера "PERIOD" и

программы Горанского "EFFECT" , использующими методику Фурье - преобразования разрывных временных рядов. Эта методика позволяет выявлять такие пульсационные характеристики поведения исследуемых звезд, которые ранее не были известны. В таблице 1 приводится список звезд, рассматриваемых в диссертации.

В этой же главе излагаются основные положения диссертации.

В третьей главе описаны исследования некоторых переменных звезд типа DSCT, проведенные автором. В частности, исследуется переменность блеска звезды V509 Per, рассматриваются пределы изменения блеска в каждой полосе системы WBVR, приводятся элементы кривой блеска с периодом, равным 0.d145785, что хорошо совпадает с данными Мантегацца и Поретти (1993), а также указывается на се мультипериодичность.

Далее исследуется мультипериодическая переменная V377 Сер, подробно анализируется амплитудный спектр переменной, вычисленный по всем наблюдениям в полосе В. Делаются выводы о возбуждении пульсаций звезды, по крайней мере, в шести модах и указывается на хорошее согласие между наблюдениями и синтетическими кривыми блеска. Пульсации в одной из мод доминируют по амплитуде, а амплитуды двух следующих мод почти вдвое меньше. У звезды также возбуждены моды с малыми амплитудами, из которых мы обнаружили три. В спектре мощности два максимальных по амплитуде колебания имеют близкие по частоте малоамплитудные компоненты: доминирующая осцилляция с периодом 0/073 имеет компонент с периодом 0.d067, а колебания с периодом 0.d142 - компонент с периодом 0.^149. Подобные компоненты могут появиться в амплитудном спектре в том случае, если амплитуда колебаний переменна или меняется с периодом, значительно превосходящим период колебания, следовательно, имеет место долгопериодическая модуляция амплитуды. Возможно, что колебания с периодом 0/142 являются основным тоном, а колебания с периодом 0.d073 - третьим обертоном. Одновременное возбуждение этих мод может быть

следствием резонанса между собственными частотами. Делается вывод, что некоторые из обнаруженных мод могут быть нерадиальными.

В этой же главе исследуется четырехпериодическое решение кривой блеска для звезды DL UMa. Автор определил следующие периоды колебаний в полосах В и V: 0.ci076288, 0.d048939, 0/11798, 0/071774, а амплитуда составляющих меняется от 0.т03 до 0.т007 в полосе V. Здесь также имеет место хорошее согласие между наблюдениями и синтетическими кривыми блеска. Исследуется частотный спектр данных, полученных со спутника " Гип-пархос". Найденные осцилляции с периодами 0.d095485 и 0.d05146 отличаются от наших данных и данных Генриксона (1977), где дается период 0.^0831. Отсюда делается вывод о значительной переменности периодов компонентов, составляющих кривые блеска, и их амплитуд.

Здесь же рассмотрены пульсации в единственной моде звезды HD 219891, использовавшейся длительное время в качестве звезды сравнения при фотометрических исследованиях переменной ЕТ And (Кушниг и др., 1990). Обнаруженная переменность звезды HD 219891 с периодом около O/'l по амплитуде не превышает 0.т01 в полосе В.

В четвертой главе рассматривается мультипериодическая переменность звезды FL Спс с быстро переменными компонентами в ее кривой блеска. Дается полный список рядов наблюдений, включающий 19 ночей в диапазоне JD 2447509 - 49371 с суммарным временем 105 часов. Проведен детальный частотный анализ наблюдений во всех полосах системы WBVR, причем в полосе В точность измерений выше, чем в остальных полосах. В фильтре V получены те же результаты, что и в полосе В, в полосах W и R иногда не выделены волны малой амплитуды. В ¡заботе также представлены спектры мощности по пяти сезонам наблюдений, где демонстрируются радикальные, изменения в поведении звезды от сезона к сезону. Делается вывод, что фотометри-

ческое поведение звезды FL Спс отличается от поведения классических мультипериодических звезд. Амплитуда и форма волн периодических составляющих быстроперсменны с характерным временем всего несколько суток. Частотный спектр очень сложен, а распределение частот не обнаруживает концентрацию к собственным частотам. Фотометрическое поведение звезды непредсказуемо на интервале в несколько суток, но в десятичасовом интервале представляется как мультипериодическое. В кривой блеска выделены отдельные волны, время жизни которых составляет всего лишь несколько суток. С таким характерным временем происходит изменение амплитуд периодических составляющих. Для всех короткоживухцих осцилляций построена диаграмма амплитуда - частота, особенностью которой являются два амплитудных максимума на частотах 13 и 26 циклов в сутки.

В пятой главе представлено исследование звезды типа A Boo VI644 Cyg. По типу переменности звезда является мультипе-риодической переменной типа DSCT. Дана краткая история исследования этой звезды. Затем дана постановка задачи, далее идет • описание наблюдений и частотный анализ. При применении техники анализа на основе программы PERIOD к массиву данных в сезон 1995 года были выявлены 4 основные частоты: 37.425 c/d, 29.930 c/d, 25.189 c/d, 34.882 c/d в порядке убывания полуамплитуд. Повторный анализ данных наблюдений 1976 года, любезно предоставленных нам авторами (Гиз и Перси,1977), дает следующие частоты: 29.59 c/d, 37.862 c/d, 12.5 c/d, 20.08 c/d. Сравнение этих данных свидетельствует о долговременной переменности амплитуд мод. Предварительные результаты межконтинентальной фотометрической кампании 1996 года, основанные в значительной степени на наблюдениях автора, показывают следующие частоты: 37.425 c/d, 29.774 c/d, 25.189 c/d, 34.882 c/d и 27.50 c/d в порядке убывания полуамплитуды спектра от 0.™0180 до 0.т0023. Предварительные результаты кампании по V1644 Cyg в сезон 1997 года дают следующие частоты: 37.425 c/d, 29.774 c/d, 25.189 c/d, 34.882 c/d, 27.506 c/d при изменении полуамплитуды от 0.m0107 до 0.m0020. Как сле-

дует из анализа, основная частота 37.425 c/d относительно стабильна и не меняет средней полуамплитуды в течение трех лет. В то же время имеет место монотонный рост полуамплитуды моды с частотой 34.882 c/d от 0.™0068 до 0.т0128. Вместе с тем имеет место спад полуамплитуды моды 25.189 c/d от 0.т0098 до 0.т0028. Автором делается предварительный вывод о том, что по своим фотометрическим проявлениям звезды типов Л Boo и 6 Щита ведут себя идентично, и переменность амплитуд мод не является исключением как для тех, так и для других звезд.

В заключении кратко резюмированы основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

Личный вклад автора заключается в получении десятков тысяч оригинальных высокоточных фотометрических измерений, в совершенствовании и применении компьютерных программ частотного анализа, в активном участии в международных наблюдательных кампаниях по звездам типов 8 Щита и Л Волопаса и в их организации. Автор самостоятельно сконструировал однока-нальный электрофотометр и получил с его помощью значительную часть материала диссертации. Автору принадлежит постановка и решение задач, рассмотренных в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. В многоцветной фотометрической системе WBVR. автором получены фотоэлектрические кривые блеска шести малоамплитудных пульсирующих звезд типа DSCT и типа Л Boo. Кривые блеска четырех из них получены впервые.

2. Автор открыл переменность блеска звезд V509 Per, HD 219891, FL Спс, независимо открыл переменность блеска звезды V377 Сер, а также определил тип переменности всех этих звезд.

3. Впервые определен основной пульсационный период переменной мультипериодической звезды типа DSCT V509 Per.

4. Впервые определен пульсационный период переменной звезды типа DSCT HD 219891.

5. Открыты и впервые исследованы мультипериодические пульсации звезд типа DSCT V377 Сер и DL UMa.

6. Автором независимо открыты и впервые исследованы мультипериодические пульсации звезды типа A Boo - V1644 Cyg, являющейся первой хорошо изученной фотометрическими методами звездой типа А Boo.

7. Открыто и исследовано необычное для звезд типа DSCT фотометрическое поведение уникальной переменной звезды FL Спс (с возможными особенностями спектра звезд типа A Boo), проявляющееся в том, что амплитуды и частоты периодических составляющих ее кривой блеска быстро переменны с характерным временем в несколько суток. Установлено, что выявленные частоты этой звезды равномерно заполняют широкий диапазон частотного спектра (от 7 до 47 циклов в сутки) и не концентрируются к собственным частотам. Обнаружено интересное свойство диаграммы амплитуда - период для пульсацион-ных волн у FL Спс: максимальные амплитуды пульсаций достигаются при частотах 13 и 26 циклов в сутки с соотношением 1:2.

8. Впервые проведен сравнительный анализ пульсационных характеристик мультипериодических звезд типа DSCT и типа А Boo. Автором сделан вывод о сходстве пульсационных характеристик звезд данных типов переменности.

9. Подтвержден на значительно более обширном статистическом материале (142 звезды по сравнению с 20 звездами) вывод Фролова (1970) о существовании критического значения скорости осевого вращения звезды, при котором прекращаются пульсации с большой амплитудой.

Литература

Генриксон, 1977 - Henriksson G., Low amplitude stars. Astron. and Astrophys. 54, 309.

Гиз и Перси, 1977 - Gies D.R. and Percy J.R., 1977, Photometric variability of 29 Cygni, Astron. J. 82, No. 1453, 166.

Корнилов В.Г., Волков И.М., Захаров А.И., Козырева B.C., Корнилова Л.Н., Крутиков А.Н., Крылов А.В., Кусакин А.В., Леонтьев С.Е., Миронов А.В., Мошкалев В.Г., Погрошева Т.М., Семенцов

B.Н., Халиуллин Х.Ф., 1991 - Каталог WBVR-величин ярких звезд северного неба. Труды ГАИШ Т.63, М.: Изд-во Московского ун-та. Стр. 1-399.

Кушнпг и др., 1990 - Kuschnig R., Weiss W.W., Kreidl T.J., Bus S.J., Osip D.J., Hyang L., Sareyan J.P., Alvarez M., Bcdolla S. G., Zverko J., Ziznovsky J., Hempelmann A., Panov K., Polosukhina N.S., Mironov A.V., Kusakin A.V., Sterken C., Belmonte J.A., Rogl J. Maia Variables - Revived ? 1988 - 1989 Photometry of ET And. (Proceedings of Conference on Confrontation Between Stellar Pulsation and Evolution, Bologna (Italy) 28-31 May 1990. Eds.: Cacciari

C., Clementini G.) Astron. Soc. Рас. Conf. Ser., Vol II. Astronomical Society of the Pacific, San Francisco, CA (USA), p.348 - 351.

Мантегацца и Поретти, 1993 - Mantegazza L., Poretti E. Pulsa-tional behaviours of the 6 Scuti stars HD 18878 and HD 19279, Astron. and Astrophys. 274, No 3, 811.

Фролов M.C., 1970 - Переменные звезды типа 8 Щита. В кн. "Пульсирующие звезды". М. "Наука". Стр.240-262.

Холопов П.Н., Самусь Н.Н., Горанский В.П., Горыня Н.А., Киреева Н.Н., Кукаркина Н.Е., Курочкин Н.Е., Медведева Г.И., Перова Н.Б., Фролов М.С., Шугаров С.Ю., 1985, "Общий каталог переменных звезд", Изд. IV, М.:Наука.

Основное содержание диссертации изложено в следующих статьях:

Кусакин A.B., Миронов А.В.,Мошкалев В.Г, 1991 - Исследование переменности звезд группы первичного стандарта фотометрической системы WBVR. Письма в Астрон. журнал. 1991, Т.17. No.3. Стр. 261-267.

Кусакин, 1994- Kusakin A.V. Discovery of Short Time-Scale Oscillations in HD 74292. Inform. Bull. Variable Stars No.40Ül. P.l-2.

Кусакин A.B., Горанский В.П., 1995 - Открытие мулътиперио-дичности у звезды типа Дельта Щита VH77 Цефея. Письма в Астрон. журнал. Т.21. No.3. Стр.204-208.

Кусакин A.B. Горанский В.П., 1996 - Частотный анализ кривых блеска звезды типа Дельта Щита HD 74292. Астрон. журнал. Т.73. No.2. Стр.247-258.

Кусакин и Мкртичян 1996 - Kusakin A.V. and Mkrtichian D.E. Multiperiodicity in Pulsating A Boo Star 29 Cygni (HD 192640, V1644 Суд). Inform. Bull. Variable Stars. No. 4314. P. 1-4.

Кусакин A.B., 1998 - Фотометрия и частотный анализ звезды типа DSCT DL Большой Медведицы. Переменные звезды Т.24. No.l. Стр.35-38.

Мкртичян и др., 1998 - Mkrtichian D.E., Kusakin A.V., Janiashvili Е.В., Lominadze J.G., Kuratov К., Kornilov V.G., Dorokhov N.I. and Mukhamednazarov S. Central Asia,n Network (CAN) - the History and Present Status. (Proceedings of the 26th Meeting and Workshop of the European Working Group on CP Stars. Eds.: North P., Schnell A. and Ziznovsky J.) Contrib. Astron. Obs. Skalnate Pleso. V.27, No.3. P.238 - 242.

Мкртичян и др., 1998 - Mkrtichian D.E., Kusakin A.V., Malanushenko

V.P., Paparo M., Akan M.C., Percy J.R., Thompson S., Krisciunas K., Burnashev V.l., Ibanoglu C., Pckunlu R., Devlen A., Ozturk A. and Koval V.A.. 1996 Multisite Photometric Campaign on the Lambda Boo Star 29 Cyg. (Proceedings of the 26th Meeting and Workshop of the European Working Group on CP Stars. Eds.: North P., Schnell A. and Ziznovsky J.) Contrib. Astron. Obs. Skalnate Pleso. V.27. No.3. P.476-478.

Frolov M.S., ICusakin A.V.,Mironov A.V., Moshkalev V.G., 1990 -A New, Apparently Unusual Delta Scuti Star, HD 18878. Inform. Bull. Variable Stars. No.3531. P. 1-4.