Исследование кривых блеска сверхновых звезд тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. ЛОМОНОСОВА ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.К.ШТЕРНБЕРГА

На правах рукописи УДК 523.841.1

ПАВЛЮК НИКОЛАИ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ КРИВЫХ БЛЕСКА СВЕРХНОВЫХ ЗВЕЗД

Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук

ю.п. ПСКОВСКИЙ,

кандидат физико-математических наук С.И. БЛИННИКОВ

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................4

Важность фотометрического исследования сверхновых .....................5

Структура диссертации.....................................................5

Вопросы, рассматриваемые в диссертации ..................................5

Глава 1. Наблюдения сверхновых ...........................................8

1.1 Сверхновая 1993J в М81 ................................................11

1.2 Сверхновая 1993ad в 1С 1501 ...........................................17

1.3 Сверхновые 1994D и 19941 ..............................................18

1.4 Сверхновые 1994Y, 1994ае и 1995J .....................................24

1.5 Сверхновая 1995а1 в NGC 3021 ......................................... 27

1.6 Другие наблюдавшиеся сверхновые ....................................29

1.7 Сводка проведенных исследований (глава 1) ...........................29

Глава 2. Каталоги сверхновых звезд. Распределения сверхновых

звезд по различным параметрам ...........................................31

2.1 Каталог сверхновых ГАИШ. I. Построение различных распределений сверхновых по данным из этого каталога........................31

2.2 Каталог сверхновых ГАИШ. II.Программы для автоматического заполнения каталога новыми данными .................................36

2.3 Каталог кривых блеска сверхновых звезд ГАИШ (ККБС) .............42

2.4 Каталог сглаженных кривых блеска сверхновых звезд ГАИШ (КСКБС) ...............................................................44

2.5 Каталог кривых показателей цвета сверхновых звезд ГАИШ (ККПЦ)Л. Основные особенности ......................................46

2.6 Каталог кривых показателей цвета сверхновых звезд ГАИШ (ККПЦ).Н. Программы автоматического расчета показателей

цвета с помощью ЭВМ .................................................47

2.7 Сводка проведенных исследований (глава 2) ...........................49

Глава 3. Классификация сверхновых по кривым блеска ................53

3.1 Основные понятия и идеи кластерного анализа.........................55

3.2 Особенности применения кластерного анализа к кривым блеска сверхновым. Метод срезов кривых блеска, предлагаемый автором...........................................................60

3.3 Две задачи, которые можно решать в классификации

сверхновых по кривым блеска..........................................62

3.4 Типовая классификация сверхновых по видимым кривым

блеска с началом отсчета в точке максимума ..........................65

3.5 Масштабная классификация сверхновых по кривым

блеска с началом отсчета в точке поворота ............................68

3.6 Типовая классификация сверхновых по видимым кривым

блеска с началом отсчета в точке поворота ............................72

3.7 Отдельные сверхновые, значительно выделяющиеся при классификации .........................................................74

3.8 Выводы из результатов отдельных классификаций.....................75

3.9 Итоговая классификация сверхновых по кривым блеска................76

3.10 Сводка проведенных исследований (глава 3) ..........................77

Глава 4. Точки поворота кривых блеска сверхновых типа 1а

и предварительные оценки некоторых космологических параметров .........................................................................79

4.1 Введение ...............................................................79

4.2 Вычисление звездных величин сверхновых в точках поворота .........82

4.3 Изучение наблюдаемой зависимости абсолютных звездных величин сверхновых типа 1а в точке поворота от расстояния ...................90

4.4 Предварительные оценки ряда космологических параметров на основе данных о точках поворота. Сравнение полученных результатов с результатами других авторов..........................100

4.5 Сводка проведенных исследований (глава 4) ..........................110

Заключение ..................................................................111

Благодарности ...............................................................112

Литература ..................................................................114

Приложение ..................................................................121

Введение

Сверхновыми называются такие звезды, которые, вспыхивая, достигают в максимуме блеска светимостей, сравнимых со светимостями нормальных галактик. Вследствие этого они становятся видимыми на огромных расстояниях и могут использоваться для определения постоянной Хаббла Н0 и параметра замедления до- Следовательно, наблюдения сверхновых дают возможность проверять космологические модели.

С другой стороны, сверхновые кардинальным образом воздействуют на окружающую межзвездную среду. В ходе вспышки сверхновых образуются различные химические элементы и соединения, изменяющие межзвездную среду. Следовательно, сверхновые влияют на химический состав звезд нового поколения. И, конечно, роль взрывов сверхновых в прошлом Вселенной и в эволюции галактик была очень важной.

Изучение физики взрывов сверхновых обогащает наши знания по физике элементарных частиц. Сверхновые и их окрестности в родительских галактиках являются естественными лабораториями для исследования гигантских взрывов. Так что нам не нужно затрачивать средства на проведение опытов, а остается только наблюдать и изучать их результаты.

Вспышка сверхновой венчает собой переход звезды в новый объект - в нейтронную звезду или другой результат взрыва. А от некоторых сверхновых после взрыва остается только разлетающаяся оболочка. Таким образом, без изучения сверхновых невозможно понять переход звезд к конечным стадиям их эволюции.

Отметим также, что сверхновые играют большую роль в формировании планетных систем. Некоторые химические элементы, из которых состоят планеты земной группы, могли получиться только в результате взрыва сверхновой.

Наконец, с проблемами понимания взрывов сверхновых тесно связан вопрос о происхождении космических лучей.

В ходе вспышки ЭК 1987А были зафиксированы нейтрино, что дало начало внегалактической нейтринной астрономии. Возможно, что роль нейтрино во вспышках сверхновых очень велика. Как наблюдения, так и теоретические расчеты взрывов сверхновых могут дать важные ограничения на гипотезы о физических свойствах нейтрино.

Велико влияние взрывов сверхновых на физические процессы в их родительских галактиках. Существует определенная связь между свойствами сверхновых и их родительских галактик. Сверхновые, вспыхивающие далеко за границами видимых дисков галактик, указывают на присутствие там вещества.

Итак, проблемы исследования сверхновых находятся сейчас на переднем крае астрофизики, и их изучение может дать ключ к решению множества проблем.

Важность фотометрического исследования сверхновых

Фотометрическое изучение сверхновых, а именно исследование кривых блеска сверхновых, приобрело в последнее время огромное значение особенно в связи с открытием сверхновых на больших красных смещениях г (до г ~ 1.1). Кривую блеска далекой сверхновой целиком можно рассматривать как сигнал некоторой известной нам начальной формы. Сравнивая пришедший к нам сигнал (наблюдаемую на Земле кривую блеска далекой сверхновой) и испущенный сигнал (кривую блеска, которую видел бы наблюдатель вблизи сверхновой), мы можем сделать вывод о ряде космологических параметров Вселенной.

Другая сфера вопросов связана с проблемой классификации сверхновых по кривым блеска. Хотя традиционная классификация сверхновых основывается на спектрах сверхновых, ряд вопросов в ее рамках остаются нерешенными, например, взаимоотношение между различными типами сверхновых

И наконец, поскольку сейчас на основе теоретических моделей взрывов сверхновых получено много расчетов теоретических кривых блеска, важно сравнивать их с кривыми блеска из наблюдений.

Вот ряд причин того, что именно фотометрическое исследование сверхновых находится в фокусе рассмотрения данной диссертации.

Структура диссертации

Диссертация построена следующим образом: сначала описываются наблюдения сверхновых, в которых принимал участие автор, затем наблюдения автора наряду с множеством наблюдений других астрономов собираются в единую систему, и на их основе составляются различные каталоги сверхновых. Далее проводится классификация кривых блеска методами срезов и кластерного анализа. На этом этапе делается попытка охватить исследованием все доступные нам кривые блеска сверхновых разных типов, выявить общие закономерности и группы среди них. И, наконец, данные каталогов применяются в частном, но очень важном случае - для исследования абсолютных звездных величин точек поворота кривых блеска сверхновых типа 1а в полосе В. Результаты этого исследования имеют важное значение для космологии.

Вопросы, рассматриваемые в диссертации

Во введении показана важность всех исследований сверхновых, в особенности фотометрических, и представлена структура диссертации.

В главе 1 рассмотрены фотометрические наблюдения сверхновых 1993-1996 гг., выполненные автором в ГАИШ. В частности, приводятся результаты фотометрического исследования 8 сверхновых. Для БЫ 1993.1 приведен ряд результатов теоретического исследования, в котором принимал участие автор.

В главе 2 рассматриваются каталоги сверхновых и различные распределения сверхновых. Автор участвовал в дополнении Каталога сверхновых ГАИШ, объем которого увеличился с 1991 по 1998 гг. примерно в 1.5 раза. Согласно Каталогу сверхновых ГАИШ к настоящему времени (17.11.1998) открыто 1413 сверхновых. Разработаны и представлены компьютерные программы, которые позволили автоматизировать процесс заполнения этого каталога данными о новых сверхновых.

Составлен и доступен пользователям через Интернет Каталог кривых блеска сверхновых, включающий в себя данные о сверхновых, открытых до 1996 г. Необходимо заметить, что каталог не является простой компиляцией данных наблюдений других авторов, т.к. эти данные исправлялись в случае необходимости с учетом новых измерений звезд сравнения.

Два других каталога сверхновых составлены автором самостоятельно. Каталог сглаженных кривых блеска построен на основе Каталога кривых блеска, но в нем из измеренных разными авторами звездных величин исключены ошибки наблюдений и между точкам наблюдений для каждой сверхновой проведены сглаженные кривые. Эти кривые удобно использовать, например, в задаче классификации сверхновых по кривым блеска и при сравнении теоретических кривых блеска с наблюдаемыми кривыми. Каталог показателей цвета сверхновых также составлен автором самостоятельно на основе данных всех предыдущих каталогов. Удобное представление данных в электронном виде позволяет точнее определить избытки цвета сверхновых.

В главе 3 представлены результаты классификации сверхновых по кривым блеска. Показано, что эта классификация существенно дополняет классификацию по спектрам, главным образом в вопросе о взаимоотношениях между подтипами ряда сверхновых. Важным результатом считается то, что найдено место сверхновых типа 1Ь, НЬ, 1993Л и 1987А в общей схеме классификации сверхновых по кривым блеска. Кроме того, приводятся основы метода срезов кривых блеска сверхновых, разработанного автором, который позволяет использовать в качестве индикаторов расстояния сверхновые любых типов.

В главе 4 выполнено определение звездных величин сверхновых в точках поворота. Изучена наблюдаемая зависимость абсолютных звездных величин сверхновых 1а от расстояния и проверена гипотеза об ускорении расширения Вселенной.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Фотометрические наблюдения 8 сверхновых, выполненные в ГАИШ в 1993-1996

гг.: 1993Л, 1993ас1, 19940, 19941, 1994ае, 1994У, 1995Л, 1995а1.

2. Каталоги сверхновых ГАИШ, их разработка, создание и дополнение. Распределения сверхновых по различным параметрам.

3. Классификация сверхновых по кривым блеска. Метод срезов кривых блеска.

4. Определение звездных величин точек поворота кривых блеска сверхновых на основе каталогов сверхновых ГАИШ. Обнаружение меньшего в 1.5 раза стандартного отклонения абсолютных звездных величин сверхновых типа 1а в точке поворота по сравнению с точкой максимума.

5. Изучение наблюдаемой зависимости абсолютных звездных величин сверхновых типа 1а в точке поворота от расстояния.

6. Проверка гипотезы об ускорении расширения Вселенной по абсолютным звездным величинам сверхновых типа 1а в точках поворота их кривых блеска.

1 Наблюдения сверхновых

Как известно, главным источником новой информации в астрономии являются наблюдения. К настоящему времени (17.11.1998) открыто 1413 сверхновых согласно Каталогу сверхновых ГАИШ (Цветков, Павлюк, Бартунов, 1998).

Но только сравнительно небольшая часть из них хорошо наблюдалась как фотометрически, так и спектроскопически.

Всегда следует иметь в виду, что ценность наблюдений сверхновых сильно зависит от точности определения блеска или от качества спектров. На протяжении достаточно многих лет астрономам ГАИШ удается получать результаты на мировом уровне. Это касается, в частности, фотометрических наблюдений сверхновых на всех телескопах Крымской Станции ГАИШ и на 70-см телескопе ГАИШ в Москве.

Необходимо отметить работу Цветкова (1986), который провел обширное исследование фотопластинок, полученных нашими астрономами за всю историю ГАИШ, повторно и с большей аккуратностью измерив блеск ранее вспыхнувших сверхновых, а также обнаружив фотопластинки, на которых переменные звезды уже исследовались, а сверхновые - нет.

Хотя может показаться, что наблюдения сверхновых 1960-80-х годов устарели, это не так. Действительно, количество открываемых сверхновых велико, но достаточно ярких сверхновых, достигающих 13ш —14™ в максимуме, все же мало - в среднем около одной-двух таких сверхновых в год. Например, с 1993 г. по 1998 г. к их числу можно отнести ЭЫ 1993Л, 1994Б, 19941, 1995Б, 19988. Однако наиболее ярких сверхновых среди них еще меньше - примерно 1 в 10 лет, например, ЭЫ 1972Е, 1987А, 1993Л. Так что наблюдения и "старых", и "новых" сверхновых одинаково важны для нас.

Кроме того, сейчас возросло количество сверхновых, открываемых на больших расстояниях от нас, вплоть до 2=1.1. С другой стороны, количество сверхновых, обнаруженных в близких галактиках, существенно не изменилось. Кривые блеска более далеких сверхновых по различным причинам не похожи на кривые блеска близких сверхновых. Из спектров сверхновых можно определить красное смещение, тогда как из сравнения кривых блеска далеких и близких сверхновых - разность между абсолютной и видимой звездными величинами, которая характеризует расстояние до сверхновой и поглощение света в направлении ее вспышки. Это дает возможность исследования геометрии Вселенной.

В то время как общее количество наблюдений различных сверхновых, выполненных астрономами - профессионалами, не столь велико, в последнее время появилось много любительских фотометрических наблюдений сверхновых. Однако их точность 0ТО.2 — 0т.4 не всегда достаточна для того, чтобы надежно определить форму кривой

Рис. 1: Кривая блеска БК 1987А в полосе В, полученная астрономами-профессионалами (Цветков, Павлюк, Бартунов, 1997).

блеска, и в частности, скорость падения блеска /3 или Д (77115). В качестве примера приведем кривую блеска SN 1987А в полосе В по наблюдениям астрономов - профессионалов (рис.1) и кривую блеска ЯК 19983 в той же полосе, построенную на основе любительских фотометрических наблюдений (рис.2), результаты которых собирались Международной службой наблюдения сверхновых (АЗЫ) и Службой наблюдения переменных звезд (УЭМЕТ).

Кривые блеска этих и множества других сверхновых были занесены в Каталог кривых блеска сверхновых ГАИШ (Цветков, Павлюк, Бартунов, 1997).

Тем не менее, и любительские наблюдения довольно важны, поскольку астрономы-профессионалы просто не успевают наблюдать многие сверхновые. Главная трудность здесь состоит в том, что наблюдения сверхновых запланировать заранее нельзя или трудно, особенно, если телескоп используется для разных целей, то есть не только для

поиска и исследования сверхновых. Фотометрические и спектроскопические наблюдения сверхновых затрудняются также тем, что свет сверхновых накладывается на быстро меняющийся с расстоянием от центра фон родительской галактики.

В 12

14

16

Рис. 2: Кривая блеска SN 1998S, полученная любителями астрономии с помощью ПЗС-камер. Результаты наблюдений собирались Международной службой наблюдения сверхновых (ISN) (Песци, Вилли, Лукас, 1998) и Службой наблюдения переменных звезд (VSNET) (Като, 1998).

Суммируя все сказанное выше, отметим, что наблюдения сверхновых, проводившиеся и проводящиеся сейчас в ГАИШ, очень важны для астрономии.

Далее перейдем к описанию наблюдений сверхновых, выполненных в 1993-1998 гг. в ГАИШ. В большинстве из них участвовал автор. Наблюдения проводились автором регулярно, 2 раза в год по 3 недели каждый