Фотометрическое исследование запятненных красных карликовых звезд тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

62 12/21

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КРЫМСКАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи УДК 524.3

АЛЕКСЕЕВ ИЛЬЯ ЮРЬЕВИЧ

ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАПЯТНЕННЫХ КРАСНЫХ

КАРЛИКОВЫХ ЗВЕЗД

Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

"Президиум ВАК.¿¿¿сии . Научнь,й и™»«™^

| I , « д№р физ.-да. наук Гершберг Роальд Евгеньевич (решение от " лД УЭ^ г., № Щг^Ш

шил выдать диплом кандидата

наук

Маральник управления. ВАК России

- 2000

Содержание

Введение ^

1 Активность запятненных красных карликовых звезд 12

12

1.1 Общие сведения.................................

1.2 Статистика звезд типа ВУ Ига........................

2 Фотометричекие наблюдения звезд типа ВУ Бга 23

23

2.1 Выбор исследуемых звезд............................

2.2 Аппаратура и методика наблюдений..................... 24

2.3 Результаты фотометрических наблюдений.................. 28

3 Фотометрический эффект темного пятна

3.1 Общие уравнения ..............

3.2 Определение температуры пятен .....

3.3 Геометрические модели пятен.......

3.4 Модели зональной запятненности звезд .

3.4.1 Недостатки иерархических моделей

3.4.2 Общие уравнения..........

3.4.3 Процедура расчетов.........

3.4.4 Обратная задача...........

4 Моделирование запятненности звезд типа ВУ Ига

4.1 Входные параметры моделей и описание программы .

4.2 Результаты моделирования зональной запятненности

5 Общие закономерности запятненности

5.1 Параметры запятненных областей ...........

5.1.1 Широтное распределение пятен.........

5.1.2 Площади пятен ..................

5.1.3 Температуры запятненных областей......

5.2 Связь с другими индикаторами активности......

55

56

58

59 61 61 62 63 68

71

71 77

92

93 93 97 99 101

Заключение

106

Список литературы

„ 126 Приложения

126

A. Каталог звезд типа BY Dra...........................

Б. Результаты UBVRI фотометрии программных звезд.............138

B. Модели зональной запятненности звезд.....................

175

Литература к Приложениям

Введение

С давних времен известна солнечная активность - совокупность процессов, охватывающих солнечную атмосферу и подфотосферные слои, и проявляющихся в таких явлениях, как темные пятна, скоротечные вспышки, флоккулы и различные структуры хромосферы и короны. Солнечные пятна являются наиболее наглядным ее проявлением, они были известны древневавилонским жрецам и китайским хронистам; неоднократно упоминались в средневековых европейских и древнерусских летописях.

Среднее пятно имеет размер около 20 - 30 тыс. км., это соответствует площади, не превышающей 0.01 % от солнечной поверхности. Порядка двадцати процентов площади пятна занято его наиболее темной частью - тенью. Эффективная температура тени - порядка 3700 К - дает яркость тени в длине волны 5000Д равную 0.06 яркости фотосферы. Распределение энергии в спектре тени пятна соответствует звезде спектрального класса МО. Полутень на 400 К холоднее фотосферы, и ее яркость в той же длине волны составляет 0.72. Подробный обзор свойств солнечных пятен приведен

в монографии Обридко [1].

Солнечные пятна являются одной из важнейших частей активной области. Так, пятна обычно собраны в группы (в среднем по десять пятен), окруженные факелами и флоккульными полями. Площадь факельных полей превышает площадь пятен в 5 - 30 раз. Время жизни группы в среднем составляет несколько оборотов Солнца и пропорционально ее максимальной площади. Суммарная площадь пятен в эпоху максимума активности не превышает 0.5 % от площади полусферы. Закономерным этапом развития активной области является солнечная вспышка. Активные области, принадлежащие к единой системе магнитного поля, связаны в комплексы активности, которые концентрируются к активным долготам.

Все процессы солнечной активности обусловлены магнитными полями, которые образуются при взаимодействии дифференциального вращения Солнца и конвекции. Согласно оценкам, более 90 % магнитного потока при этом сконцентрировано в жгутах с напряженностью 2 - ЗкГс. Максимальная степень упаковки достигается в пятнах. Напряженность поля в центре пятна составляет 1 - 4кГс (в зависимости от его площади), а площадь замагниченной области в несколько раз превышает площадь

пятна.

Очевидно, что подобные проявления активности должны обнаруживаться и на других звездах, во внутреннем строении которых конвективный перенос энергии играет существенную роль.

Проводимые с начала пятидесятых годов фотометрические наблюдения красных карликовых звезд сразу обнаружили два вида проявления солнечной активности - вспышечную активность типа UV Cet и малоамплитудную квазипериодическую переменность типа BY Dra, вызванную наличием на поверхности вращающихся звезд темных пятен, подобных солнечным. Уже первые исследования показали, что яркость таких пятен сравнима с яркостью пятен на Солнце, в то время как их площадь (до 40 % поверхности звезды) существенно больше.

Кроме красных карликовых звезд явление запятненности известно у переменных типа RS CVn (двойных систем, где более холодный компонент - это G или К субгигант, а горячий - субгигант или карлик классов F — G), быстровращающихся возможно одиночных G — К гигантов типа F К Сот, двойных систем типа W UMa, у некоторых Т Таи и post Т Таигг звезд, а также у холодных вторичных компонентов некоторых ал го лей и симбиотических систем.

Дальнейшие исследования показали присутствие на звездах и других типов солнечной активности - мощных хромосфер и корон, магнитных полей и пр., а также цикличность их проявлений и зависимость от параметров звезд. Результатом этого стало возникновение и развитие нового направления - солнечно-звездной физики.

Являясь важной частью этого направления, изучение поверхностных неоднород-ностей на звездах дает нам в комплексе с данными спектральных, поляриметрических, радиоастрономических, ультрафиолетовых и рентгеновских наблюдений важные сведения о звездном магнетизме, дифференциальном вращении, различных аналогах солнечной активности и их взаимодействии, а также зависимости от строения и эволюционного статуса звезды.

Перечисленные проблемы определяют актуальность данной работы, предпринятой с целью выяснения общей картины запятненности красных карликов и ее связь с их строением и эволюционным статусом.

Постановка научной задачи

Диссертационная работа посвящена фотометрическому исследованию ряда запят-ненных красных карликовых звезд и единообразному построению моделей их запятнен-ности по оригинальным наблюдениям и данным литературы. Рассматривается связь параметров звездных пятен с основными характеристиками звезд. В связи с этим решаются следующие задачи:

1) исследование блеска в отсутствие вспышек на выборке красных карликовых

звезд в полосах UBVRI:

2) разработка зональной модели запятненности и создание компьютерных программ для получения параметров запятненных областей из фотометрических наблюдений;

3) определение параметров звездных пятен, сравнение с результатами других авторов и поиск корреляций между площадями и температурами звездных пятен и

массами, температурами и вращением звезд.

Научная новизна. Получен обширный наблюдательный материал по фотометрической переменности шестнадцати запятненных красных карликовых звезд, в том

числе восьми малоизученных.

Отмечены недостатки традиционной иерархической модели запятненности звезд; впервые предложена и детально развита альтернативная ей зональная модель запятненности, об'ясняющая фотометрическое поведение звезды без привлечения гипотезы околополярных пятен. Картина звездных пятен, даваемая зональной моделью - многочисленные пятна на низких и средних широтах - качественно схожа с солнечной.

Модель применена к об'яснению переменности 24 звезд типа BY Dra. Для большинства звезд моделирование запятненности было проведено впервые.

Рассмотрены возможные зависимости параметров запятненных областей от масс и скоростей вращения звезд. При этом параметры солнечных пятен хорошо вписываются

в найденные закономерности.

Практическая ценность Впервые проведено единообразное построение моделей запятненности 24 звезд со спектральными классами от dGl до dMA.be. Это позволяет рассматривать общие закономерности в физике звездных пятен для активных звезд с самым широким набором масс (светимостей) и скоростей вращения.

Результаты моделирования занятненности для двух звезд солнечного типа ЕК Бга я ВЕ СеЬ - непосредственно сравнимы с теоретическими предсказаниями

широтного распределения звездных пятен.

Разработанная зональная модель может быть применена к моделированию занятненности и других классов активных звезд - ЯБ СУп, ЕК Сот, Т Таи и ровЬ Т Таи. Общая характеристика работы

В диссертации излагаются результаты иВУШ фотометрии 16 красных карликовых звезд, выполненной в течение 245 ночей в 1991 - 1998 гг на 1.25 метровом рефлекторе АЗТ - И Крымской астрофизической обсерватории; методы и результаты моделирования их запятненности.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и

трех приложений, содержащих:

1) список переменных звезд типа ВУ Вт а,

2) результаты фотоэлектрических наблюдений шестнадцати запятненных звезд,

3) модели зональной запятненности для 24 звезд.

В диссертации содержится 105 страниц текста, 32 рисунка, 68 таблиц (22 в тексте и 46 в приложениях). Библиография содержит 235 названий, общий об'ем диссертаци

составляет 182 страницы.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и задачи исследования, излагается содержание диссертации, вклад автора и приводятся выносимые на защиту положения.

В первой главе дан обзор имеющихся в литературе фотометрических сведений о

переменности звезд типа ВУ Вта, статистика переменных и история вопроса. Также рассматриваются другие виды солнечной активности красных карликовых звезд, их связь с запятненностью и зависимость от глобальных параметров звезд. На основании собранной и систематизированной диссертантом выборки из 112 звезд типа ВУ Вга показана возможность существования зависимости пятнообразовательной активности звезд от их спектральных классов и скоростей вращения.

Во второй главе описаны фотометрические наблюдения 16 запятненных звезд, проведенные в 1991 - 1998 гг на телескопе АЗТ - 11 КрАО. Рассмотрены аппаратура и методика наблюдений, ошибки определения звездных величин и показателей цвета

программных звезд, способы выноса результатов за атмосферу и их перевода в стандартную систему Джонсона. Приведены данные о сезонах наблюдений, звездах сравнения и контрольных звездах. Рассмотрены полученные кривые блеска программных звезд, проанализированы их изменения от сезона к сезону и построены сводные кривые блеска, определены значения максимального блеска программных звезд. Для ряда звезд заподозрена цикличность колебаний блеска.

В третьей главе рассматриваются существующие методы моделирования запят-ненности различных типов звезд по фотометрическим наблюдениям и недостатки традиционных моделей. Приводятся основные принципы построения зональной модели запятненности, рассматривается поведение предсказываемых моделью наблюдаемых фотометрических величин в зависимости от параметров модели и алгоритмы решения обратной задачи.

В четвертой главе описан оригинальный пакет программ для построения зональной модели запятненности по многоцветным фотоэлектрическим наблюдениям. Для каждой звезды рассмотрены входные параметры моделей - отношения dB/dV, dR/dV, dl/dV-, отмечена их неизменность от сезона к сезону. Другие необходимые параметры - температуры фотосферы, углы наклона оси вращения i, а для двойных систем также отношения светимостей компонентов в полосах BVRI - брались из литературы или оценивались нами по известным калибровкам. Для 24 программных звезд единым образом построены модели зональной запятненности и проведено сравнение с результатами моделирования других авторов.

В пятой главе рассмотрены зависимости полученных параметров пятен от массы и вращения звезды, проведено сравнение широтных распределений пятен с модельными расчетами, а также рассмотрена связь запятненности с другими индикаторами активности звезд.

Апробация Результаты работы неоднократно докладывались на астрофизических семинарах КрАО Миннауки Украины, и на следующих конференциях:

II с'езд Украинской астрономической ассоциации, Киев, июнь 1993 (доклад "Кооперативные наблюдения вспыхивающей звезды EV Lac в 1991 году")

III с'езд Украинской астрономической ассоциации, Киев, июнь 1995 (доклад "Оценка запятненности красных карликовых звезд УУ АН, V775 Her, У1005 ОН и

EV Lac no UBVRI фотометрическим наблюдениям" )

международное совещание "Магнитные поля звезд", Ниж.Архыз, CAO, май 1996 (доклад " Запятненность красных карликовых звезд" )

IV с'езд ЕААО, Москва, 1997 (стендовый доклад "Наблюдения запятненных красных карликовых звезд в КрАО" )

конференция "Физика космоса", Екатеринбург, февраль 1998 (доклад "Запятнен-

ные красные карликовые звезды")

международное совещание "Физика звездных атмосфер", КрАО, май 1998 (доклад "Фотометрические наблюдения и анализ запятненности активных красных карликовых звезд")

Результаты работы вошли также в следующие совместные доклады: I.YuAlekseev, R.E.Gershberg, "Models of a spottedness of red dwarf stars: large but not numerous high-latitude spots or wide heterogeneous equatorial bands?", 9th Cambridge Workshop "Cool stars, stellar systems, and the Sun" Oct.3-6, 1995, Florence, Italy; доклад также представлен на 176 IAU Symp. "Stellar Surface Structure", 1995, Vienna (доклады

представлены Р.Е.Гершбергом)

И.Ю.Алексеев, Р.Е.Гершберг "О пятнистости красных карликовых звезд", международная конференция "Современные проблемы астрономии", Одесса, сентябрь 1996 (стендовый)

I.Yu.Alekseev, R.E.Gershberg "A probable periodicity in the activity of the red dwarf flare star EV Lac", 10th Cambridge Workshop "Cool stars, stellar systems, and the Sun" (стендовый)

Личный вклад Общие принципы построения модели зональной запятненности и алгоритмы решения обратной задачи разработаны совместно автором и научным руководителем Р.Е.Гершбергом. Проведение наблюдений 16 запятненных красных карликовых звезд, их интерпретация, а также составление пакета компьютерных программ для расчета моделей запятненности проведены диссертантом самостоятельно. На защиту выносятся:

1. Результаты многолетних наблюдений 16 запятненных карликовых звезд, основные характеристики их переменности типа BY Bra.

2. Общие принципы, алгоритмы и программы построения зональных моделей

запятненности по фотометрическим наблюдениям.

3. Модели зональной запятненности 24 красных карликовых звезд для 317 эпох, определение основных физических параметров звездных пятен;

4. Статистические зависимости параметров звездных пятен от масс и скоростей вращения звезд, сравнение широтного распределения пятен для звезд солнечного типа с теоретическими расчетами всплытия магнитных трубок.

По теме диссертации опубликовано 19 работ:

1. Alekseev I.Yu., Gershberg R.E., Ilyin I.V. et al. Coordinated observations of the red dwarf flare star EV Lac in 1991 // Astron.Astrophys. - 1994. - V.288. - P.502-512.

2. Алексеев И.Ю., Шаховская H.И. Оценка запятненности трех красных карликовых звезд MS Ser, FK Ser, и V775 Her по многоцветным фотоэлектрическим наблюдениям // Известия Крым. Астрофиз. Обе. - 1995. - Т.89. - С.93-99.

3. Алексеев И.Ю. Запятненность красной карликовой звезды EV Lac в 1969 - 1993 // Астрон. Журн. - 1996. - Т.73. - С.81-85.

4. Алексеев И.Ю. Запятненность эмиссионных карликовых звезд V77b Her, VY Ari, OU Gem и У1005 Ori в 1974 - 1993 // Астрон. Журн. - 1996. - Т.73. - С.86-93.

5. Алексеев И.Ю., Гершберг P.E. Запятненность красных карликовых звезд: недостатки традиционных иерархических моделей и необходимость построения зональной модели запятненности // Астрон. Журн. - 1996. - Т.73. - С.589-597.

6. Алексеев И.Ю., Гершберг P.E. Запятненность красных карликовых звезд: прямая и обратная задачи построения модели зональной запятненности // Астрон. Журн. - 1996. - Т.73. - С.579-588.

7. Alekseev I.Yu., Gershberg R.E. Models of a spottedness of red dwarf stars: large but not numerous highlatitude spots or wide heterogeneous equatorial bands? // Cool Stars, Stellar Systems, and the Sun. / Pallavicini R., Dupree A.K. (Eds). - Astron. Soc. Pacific Conf. Ser. - 1996. - V.109. - P.583-584.

8. Алексеев И.Ю., Гершберг P.E. Запятненность красных карликовых звезд: модели зональной запятненности для 13-ти звезд типа BY Dr а // Астрофизика. -

1996. - Т.39. - С.67-89.

9. Abdul-Aziz H., Abranin Е.Р., Alekseev I.Yu. et al. Coordinated observations of the red dwarf flare star EV Lacertae in 1992 // Astron. Astrophys. Suppl. Ser. - 1995. - V.114.

- Р.509-526.

10. Alekseev I.Yu., Gershberg R.E. On the spottedness of red dwarf stars // Odessa Astron. Publ. - 1996. - V.9. - P.96-97.

И. Алексеев И.Ю., Гершберг P.E. Запятненность красных карликовых звезд: некоторые общие закономерности // Астрон. Журн. - 1997. - Т.74. - С.240-248.

12. Алексеев И.Ю., Бондарь Н.И. Запятненность эмиссионных карликовых звезд BF CVn, DT Vir, EQ Vir, У1396 Суд по фотоэлектрическим и фотографическим наблюдениям // Письма в Астрон. Журн. - 1997. - Т.23. - С.294-299.

13. Alekseev I.Yu., Gershberg R.E. The spottedness of red dwarf stars // Stellar magnetic fields. / Glagolevskij Yu.V., Romanyuk I.I. (Eds). - Moscow. - 1997. - P.76-83.

14. Alekseev I.Yu., Gershberg R.E. The activity of the red dwarf star EV Lac from UBVRI observations in Crimea in 1986-1995 // The Earth and the Universe. / Asteriadis K., Bantelas A., Contadakis M.E. et al. (Eds). - Thessaloniki: Aristotle University. - 1997. -P.43-57.

15. I.Yu.Alekseev, R.E.Gershberg. Models of spottedness of red dwarf stars: large but not numerous high-latitude spots or wide heterogeneous equatorial bands? // Stella