Исследование магнетизма одиночных белых карликов тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах оукописи

Л- Л-

УДК 524-31.064

сг>

О О-

Г"

ио •«X

-3"

ВАЛЯВ ИН Геннадий Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНЕТИЗМА ОДИНОЧНЫХ БЕЛЫХ КАРЛИКОВ

Специальность: 01.03.02- астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыз - 1998

Работа выполнена в Специальной Астрофизической Обсерватории Российской Академии Наук.

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук

С.Н. ФАБРИКА

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

Ю.Н.ГЛАГОЛЕВСКИЙ

кандидат физ.-мат. наук В.Ф. СУЛЕЙМАНОВ

Ведущая организация: Физико-технический институт

им. Иоффе, Санкт-Петербург

Защита состоится «м " 1998 г. в № часов

на заседании Диссертационного совета Д 003.35.01 при Специальной Астрофизическиой Обсерватории РАН по адресу: 196140, г. Санкт-Петербург, Пулково, ГАО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке CAO РАН. Автореферат разослан " /$ " ^¿Z^P^^it- 1 9 g,Я г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

кандидат физ.-мат. наук Е.К.Майорова

)бщая характеристика работы

)сновной задачей в исследовании магнетизма белых карликов вляется измерение магнитных полей этих звезд, определение ериодов их вращения. Знание этих величин позволит опре-еяить, какая доля момента вращения и магнитного момен-а теряется звездой при образовании вырожденной звезды из везды-гиганта.

Не менее важная задача — исследование распределения бе-ых карликов по их магнитным полям. Сравнение такого рас-ределения с соответствующим распределением звезд главной оследовательности может дать ответ на следующие вопросы, [меет ли магнетизм белых карликов самостоятельный харак-ер, либо это остаточный магнетизм звезд, из которых они браковались? Являются ли магнитные звезды (и магнитные елые карлики) особым классом объектов, или они представля->т собой наиболее намагниченные звезды в непрерывном рас-ределении звезд по магнитным полям? Каково распределение ;агнитного поля внутри звезд — предшественников белых кар-иков? При решении многих других проблем, касающихся финки самих белых карликов (например, проблем их эволюции двойных системах, охлаждения белых карликов, химического эстава их атмосфер и др.) знание величин их магнитых полей периодов вращения также принципиально важно.

Как правило, измерения магнитных полей белых карликов редставляют собой единичные оценки, из которых нельзя поучить информацию о геометрии поверхностных магнитных олей. Только длительные наблюдения позволяют восстанавли-ать картину распределения магнитного поля по поверхности везд. Из таких наблюдений могут быть найдены периоды вра-(ения. Знание геометрии поверхностного магнитного поля и ер иода вращения звезды чрезвычайно важно при исследова-ии происхождения и эволюции магнитных полей звезд (Глаго-гвский, 1988).

Картирование магнитных полей белых карликов до недав-его времени было невозможным из-за отсутствия магнитных эивых и детальных спектральных данных. Только в последнее ремя, после начала мониторинговых наблюдений магнитных злых карликов, появились первые работы по изучению геоме-

трии и структур их магнитных полей (см., например, Ахиллеос и Викрамасинге, 1989; Штоль и др., 1997). Сразу же были получены интересные результаты — впервые была обнаружена нерегулярная, возможно, пятенная структура магнитного поля у белого карлика РС1658-Н41 (Штоль и др., 1997). Таким образом, необходимо проведение длительных поляризационных (зеемановских) наблюдений известных магнитных белых карликов.

Чрезвычайно важны статистические исследования имеющихся наблюдательных данных для изучения эволюции магнитных полей белых карликов. Теория этого вопроса весьма успешно развивается (Венделл и др., 1987; Муслимов и Ван Хорн, 1995), однако, вплоть до настоящего времени, исследование эволюции магнитных полей на этих звездах по наблюдательному материалу практически не проводилось. Только однажды эта тема обсуждалась Либертом и Сайоном (1979). В их работе была сделана попытка анализа эволюции магнитных полей белых карликов на основе изучения распределения этих звезд по эффективным температурам. Несмотря на весьма скудные наблюдательные данные, которыми располагали Либерт и Сайон, он сделали вывод о возможности существования эффекта увеличения наблюдаемой частоты встречаемости магнитных белых карликов с понижением эффективной температуры. Это может быть связано с эффектами наблюдательной селекции, но и может быть связано с особенностями эволюции поверхностных магнитных полей этих звезд. Знание закопа эволюции магнитных полей белых карликов важно для выяснения природы магнетизма звезд. На его основе можно найти распределение белых карликов по магнитным полям на нулевой возраст — начальную функцию магнитных полей.

Решение перечисленных задач позволит получить ответ на главный вопрос о происхождении магнетизма белых карликов. При обсуждении вопроса о связи магнетизма белых карликов с магнетизмом звезд главной последовательности, в первую очередь, необходимо сравнить частоты встречаемостей магнитных звезд и магнитных белых карликов. Известно, что среди звезд главной последовательности магнитные звезды (т. е. имеющие поля от нескольких сотен Гс и выше) встречаются, как правило, среди химически пекулярных звезд типа Ар (Борра и

1982; Хохлова, 1983). Вполне возможно, что все Ар звезды тяготея магнитными (Ромашок, 1997). Доля Ар звезд среди 2зд спектральных классов В 7 - А 3 составляет около 10 % грет и Яшек, 1981), поэтому можно принять оценку количе-эа магнитных звезд среди горячих звезд главной последова-пьности как р» 10 %.

На сегодняшний день известно 52 белых карлика (Шмидт и гат, 1995; Джордан, 1997; Фабрика и Валявин, 1998) с иоме-нными поверхностными магнитными полями. Магнитные по-у этих звезд измеряются, в основном, по спектрам и покры-ют интервал от 0.1 МГс (\¥Б0009+501) до 1340 МГс (ОБ229). ¡щее число известных спектрально классифицированных бе-;х карликов составляет около 2100 объектов (МакКук и Сайон, 37; 1997). Отсюда следует хорошо известная частота встреча-ости магнитных белых карликов, а именно, белые карлики с лями более 0.1 МГс составляют 2 - 3 %. Эти звезды предста-яют собой популяцию, называемую магнитными белыми кар-ками. Как количество известных магнитных звезд главной следовательности, так и количество магнитных белых карли-в определяется точностью методов регистрации магнитных лей, т. е. уровнем развития современной аппаратуры. Поэто-г ответ на вопрос о связи магнетизма белых карликов с маг-тизмом звезд, их предшественников можно получить только следуя начальное распределение белых карликов по магнит-ш полям и сравнивая его с соответствующим наблюдаемым определением для звезд главной последовательности.

ктуальность проблемы

змерения магнитных полей белых карликов в области менее МГс возможны только на самых крупных телескопах ми.. Проведение высокоточных бесселекционных зеемановских -блюдений нормальных (неизвестных как магнитных) белых .рликов является весьма актуальным.

На сегодняшний день магнитные измерения белых карликов, основном, представляют собой единичные оценки величин их 1гнитных полей. Изучение геометрии магнитных полей звезд »ебует систематических и длительных магнитометрических ,блюдений. Это обеспечивает актуальность магнитометриче-

ского мониторинга известных магнитных белых карликов с целью определения периода вращения и картирования их поверхностных магнитных полей.

Весьма важно исследовать эволюцию магнитных полей вырожденных звезд на основе накопленного в мире наблюдательного материала и современных эволюционных расчетов для белых карликов. Сейчас возможно построение функции магнитных полей — распределения белых карликов по магнитным полям (с учетом всех возможных эффектов наблюдательной селекции) на интервале шести порядков величин изменения напряженности поля. Возможна приближенная оценка соответствующего начального распределения. Знание этих распределений позволит исследовать один из важнейших вопросов эволюции звезд — связь магнетизма звезд главной последовательности с магнетизмом вырожденных звезд.

Цель работы.

Цель работы заключалась в получении и детальном анализе новых магнитометрических наблюдательных данных по белым карликам для исследования проявления закономерностей их магнетизма в области магнитных полей менее 1 МГс; в построении и анализе распределения белых карликов по магнитным полям; в проведении мониторинга магнитного поля массивного белого карлика РС1658+441 и анализе этих данных. Целью работы был также статистический анализ всего существующего наблюдательного материала по магнитным белым карликам и выявление эволюционных закономерностей поведения магнитных полей этих звезд.

Научная новизна

1. Впервые достигнута рекордная точность в измерении магнитных полей белых карликов, по самым ярким звездам точность составила 1 кГс. Впервые детектировано магнитное поле на ярчайшем белом карлике 40 Еп В; белом карлике в двойной системе Б Б Cyg.

2. Впервые обнаружена переменность магнитного поля белого карлика Р01658+441 с периодом 2.5 часа. Получены высокоточные оценки ориентации магнитного диполя этой звезды. На основе длительного (несколько лет) мониторинга этого объекта обнаружено существование стохастической переменности, возможно, связанной с пятенной структурой его магнитного поля.

3. На основе всех опубликованных данных измерений магнитных полей белых карликов впервые надежно обнаружена эволюция крупномасштабных магнитных полей белых карликов. С доверительной вероятностью не хуже 99.95 % найден эффект увеличения намагниченности белых карликов с возрастом.

4. На интервале шести порядков величин изменения магнитных полей впервые построено и исследовано распределение белых карликов по магнитным полям. — современная функция магнитных полей белых карликов. Сделан статистический вывод о минимально возможных напряжепностях магнитных пояей белых карликов: минимальная величина крупномасштабного поверхностного магнитного поля белого карлика около 1 кГс.

1рактическое значение работы

5 работе получены новые данные наблюдений магнитных поен белых карликов. Все результаты наблюдений опубликованы ; могут быть использованы другими исследователями при из-чении магнетизма белых карликов. Результаты наблюдений >С1б58+441 могут быть использованы в теоретических иссле-ованиях недипольной структуры магнитных полей, а так же онвекции на белых карликах. Полученные результаты по эво-юции магнитных полей необходимы при исследовании ¡эволю-;ии белых карликов, построении моделей внутреннего строе-[ия этих звезд; остывания и конвекции. Эти результаты могут >ыть использованы при изучении формирования белых карли-ов, а также в теории внутреннего строения и намагниченности везд главной последовательности.

Апробация работы

Основные результаты диссертации изложены в И печатных работах, докладывались на семинарах в Одесском, Казанском университетах, в Государственном астрономическом институте им. Штернберга (Москва), Крымской астрофизической обсерватории, в Физико-техническом институте им. Иоффе (Санкт Петербург), на конференции "Stellar magnetic fields" (H. Архыз, CAO, 1996), на конференции "Современные проблемы астрономии" (Одесса, ОГУ, 1996), на конференции "Актуальные проблемы астрофизики" (Москва, ГАИШ, 1996), на общих семинарах и конкурсах научных работ CAO.

Личный вклад автора

В исследовании эволюции магнитных полей белых карликов вклад автора был равным в интерпретации данных и основным в решении модельных задач. Вклад автора в наблюдениях равный с соавторами. В обработке наблюдательного материала вклад автора был основным начиная с 1991 г.

На оащиту выносятся:

1. Результаты поляриметрических наблюдений магнитных полей 18 белых карликов; а также карликовой новой SS Cyg. В наблюдениях белых карликов 40 Eri В и WD 0713+441 достигнута рекордная точность измерения магнитных полей: 370 Гс и 1 кГс соответственно. Обнаружено переменное эффективное магнитное поле у 40 Eri В с полуамплитудой 2300 Гс. У SS Cyg обнаружена собственная круговая поляризация, что означает наличие в системе магнитного белого карлика.

2. Результаты поляриметрических наблюдений белого карлика PG1658+441, исследования ориентации оси магнитного диполя. Обнаружены периодические изменения магнитного поля PG1658+441 с периодом 2.5 часа, предложена интерпретация этой переменности.

¡. Результаты статистического исследования эффектов эволюции крупномасштабных магнитных полей на одиночных белых карликах. Обнаружена зависимость намагниченности белых карликов от температуры и возраста. Определена частота встречаемости магнитных белых карликов: 3.5 ± 0.5 % среди белых карликов с температурой более 10000 К и 20 ± 5 % среди белых карликов с температурой от 4000 К до 10000 К.

1. Построена современная функция магнитных полей белых карликов. На интервале 6-ти порядков величин изменения магнитного поля распределение белых карликов по магнитным полям имеет степенной характер с показателем степени а — -1.5 ± 0.1.

одержание диссертации

редставленная диссертация является результатом работ, вы-шненных автором в период 1991—1997 гг., она состоит из ведения, четырех глав, заключения и списка цитированной лигатуры. Общий объем диссертации 115 страниц, включая 24 гсунка и б таблиц; библиография содержит 133 наименования.

Во введении дается краткая историческая справка по ис-юдованию магнетизма звезд, описывается постановка задает исследования магнетизма одиночных белых карликов, дает-i обоснование актуальности проблемы, сформулирована цель аботы и ее научная новизна. Приведены результаты, выносные на защиту, кратко представлено содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвящена магнитометриче-шм наблюдениям белых карликов на Водородном магнитоме-ре и Основном звездном спектрогрфе БТА. Описываются на-людения эффекта Зеемана на этих приборах, приводится ис-педование точности измерения магнитных полей белых карли-ов.

Приведены результаты зеемановских наблюдений 16 нор-[альных (немагнитных) белых карликов. Для всех звезд получе-

ны верхние пределы эффективных магнитных полей в интервале от одного кГс до нескольких десятков кГс.

Приведены результаты поляриметрических исследований карликовой новой ББ Cyg. С высоким уровнем значимости обнаружена круговая поляризация, что позволило сделать вывод о наличии в этой системе магнитного белого карлика.

На основе анализа модельных спектров для параметров Основного Звездного спектрографа БТА рассчитана сетка моделей для исследования точности измерения магнитного расщепления одиночной спектральной линии с шириной Е\¥НМ = 1А при разных значениях отношения сигнал/шум и остаточной интенсивности линии. Приведены результаты зеемановских наблюдений 7 ярких нормальных белых карликов. Для 6 звезд получены верхние пределы эффективных магнитных полей в интервале от одного до нескольких кГс. Для ярчайшего белого карлика 40 Еп В с рекордной точностью (несколько сотен гаусс) получены оценки величины его эффективного магнитного поля. Зарегистрировано статистически значимое изменение магнитного поля 40 Еп В с характерным временем около 4 часов. Полуамплитуда изменения эффективного магнитного поля 40 Еп В составляет 2300 Гс.

Во второй главе приводятся результаты длительных измерений магнитного поля массивного белого карлика РС1658+441. Среднее продольное поле составило 668 ± 16 кГс. Анализируются данные как по отдельным наблюдениям, так и весь наблюдательный ряд РС1658+441. Ограничены параметры геометрической модели магнитного диполя. Угол между лучем зрения и осью магнитного диполя равен 44° ± 9°. Приведены результаты частотного анализа временных рядов измерений магнитного поля этого объекта. По наблюдениям в 1991 г. обнаружено статистически значимое периодическое изменение эффективного магнитного поля с периодом 2.5 часа. Более поздние наблюдения не показали переменности магнитного поля. Такое поведение обсуждается в рамках наличия нескольких магнитных пятен на разных широтах на поверхности этого белого карлика. Следовательно, кроме дипольной составляющей магнитного ноля на этой звезде, возможно, присутствует составляющая более сложной структуры.

Третья глава описывает статистический анализ эволюции ¡агннтных полей белых карликов. Приводятся результаты ана-иза частот встречаемости магнитных белых карликов в за--исимости от их температур. С использованием фотометри-/еских данных и модельных расчетов, связывающих показате-:и цвета с эффективной температурой звезды, для 1274 белых арликов выполнены оценки эффективных температур. По вы-юрке из 48 магнитных белых карликов найдено, что частота ¡стречаемости магнитных белых карликов зависит от темпе->атуры. Описаны основные эффекты наблюдательной селекции [ методы их учета. Сделан вывод о существовании зависимо-ти величины магнитного поля белого карлика от температуры «езды.

Оцениваются массы 1054 немагнитных и 35 магнитных бе-[ых карликов. Из анализа распределений но массам магнитных I немагнитных белых карликов получено два независимых вы-юда. 1. В среднем магнитные белые карлики более массивные, км немагнитные. Среднестатистическая масса магнитного бе-юго карлика на « 0.24 Мф больше, чем немагнитного. 2. Маг-гитные белые карлики представляют собой два типа объектов: :ласс белых карликов "нормальных" масс, магнитное поле кото->ых В8 < 100 МГс; и класс "ультрамассивных" белых карликов : массой М > 1.1 магнитные поля которых В8 >100 МГс.

Исследуется температурная и возрастная зависимости на-фяженностей поверхностных магнитных полей белых карли-сов. С привлечением известной функции охлаждения белых кар-шков обнаружена зависимость величин их поверхностных маг-штных полей от возраста. Найденные зависимости указывает на то, что существует процесс, приводящий к увеличению лагнитных полей вплоть до возраста 5-7-109 лет. Обсуждаются юзможные интерпретации найденных эффектов в рамках двух щенариев.

В четвертой главе исследуется распределение белых кар-шков по магнитным полям. Анализируются и учитываются )ффекты селекции, приводятся оценки частот встречаемости магнитных белых карликов различных температур. Найдено, зто частота встречаемости магнитных белых карликов резко юзрастает при анализе звезд ближнего солнечного окружения

(а < 25 пк). Это связано с тем, что холодные звезды мы наблюдаем только на небольших расстояниях. С учетом эффектов наблюдательной селекции найдены реальные частоты встречаемости холодных и горячих магнитных белых карликов.

На интервале от 100 кГс до 10 ГГс построена наблюдаемая функция плотности вероятности встречаемости белых карликов в зависимости от величины магнитного поля — современная функция магнитных полей. На этом интервале она имеет вид степенной зависимости с показателем степени а = -1.5 ± 0.1. Из анализа этой функции делается вывод о минимальных величинах крупномасштабного поверхностного магнитного поля белых карликов разных температур. У холодных и горячих белых карликов минимально возможные напряженности равны В5 яа 40-50 кГс и В3 кз 1-10 кГс соответственно.

На основании рассмотрения горячих (молодых) магнитных белых карликов дается оценка начальной функции магнитных полей. Обнаружено, что наклоны функций магнитных полей в первом приближении одинаковы у горячих и холодных белых карликов. На основе этого высказано предположение, что закон эволюции магнитного поля белых карликов не зависит от величины магнитного поля.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Ю.Н.Гнедин, Т.М.Нацвлишвили, В.Г.Штоль, Г.Г.Валявин, Н.М. Шаховской: ББ Лебедя — белый карлик с магнитным полем на субмегагауссном уровне // Письма в Астрон. Журн. 1995. Т. 21. С. 132-135.

2. В.Г.Штоль, Г.Г.Валявин, С.Н.Фабрика, В.Д.Бычков, В. А.Столяров: Поиск изменений магнитного поля у белого карлика РС1658+441 // Письма в Астрон. Журн. 1997. Т. 23. С. 53-60.

3. С.Н.Фабрика, В.Г.Штоль, Г.Г.Валявин, В.Д.Бычков: Измерения магнитных полей белых карликов // Письма в Астрон. Журн. 1997. Т. 23. С. 47-52.

4. G.G.Valyavin, D.N.Monin, T.E.Burlakova, S.N.Fabrika, V.D.Bychkov: Magnetic observations of white dwarfs with The BTA Main Stellar Spectrograph // "Stellar magnetic fields". Eds. Yu. V. Glagolevskij, I.I.Romanyuk. Moscow. "Nauka". 1997. P. 127-131.

5. G.G.Valyavin, S.N.Fabrika: Temperature dependence of white dwarfs magnetic fields // "Stellar magnetic fields". Eds. Yu.V.Glagolevskij, I.I.Romanyuk. Moscow, "Nauka". 1997. P. 134-139.

6. S.N.Fabrika, G.G.Valyavin: White dwarfs magnetic field function // "Stellar magnetic fields". Eds. Yu.V.Glagolevskij, I.I.Romanyuk. Moscow. "Nauka". 1997. P. 131-133.

7. V.G.Shtol', G.G.Valyavin, S.N.Fabrika, V.D.Bychkov, V.A.Stolyarov: Magnetic field variations of the white dwarf PG1658+441 // "Stellar magnetic fields". Eds. Yu.V.Glago-levskij, I.I.Romanyuk. Moscow. "Nauka". 1997. P. 210-215.

8. S.N.Fabrika, V.G.Shtol', G.G.Valyavin, V.D.Bychkov, A.A.Panferov: Magnetic measurements of white dwarfs // "Stellar magnetic fields". Eds. Yu.V.Glagolevskij, I.I.Romanyuk. Moscow. "Nauka". 1997. P. 215-220.

9. Г.Г.Валявин, С.H.Фабрика: Эволюция магнитных попей белых карликов // Препринт ОАО. 1998. N129/1.

10. С.Н.Фабрика, Г.Г.Валявин: Функция магнитных полей белых карликов // Препринт САО. 1998. N129/2.

11. G.H.Фабрика, Г.Г.Валявин, В.Г.Штоль, В.Д.Бычков: Магнетизм белых карликов // Изв. Крымской астрофиз. об-серв. 1998, Т. 94. С. 253-256.

Литература

Ахиллеос и Викрамасинге (Achilleos N., Wickramasinghe D.T.): Offset magnetic dipoles in white dwarfs // Astrophys. J. 1989. V. 346. P. 444-453.

Борра и др. (Вогга E.F., Landstreet J.D., Mestel L.): Magnetic stars // 1982. Ann. Rev. Astron. and Astrophys. V. 20. P. 191-220.

Венделл и др. (Wendell C.E., Van Horn H.M., Sargent D.): Magnetic field evolution in white dwarfs // Astrophys. J. 1987. V. 313. P. 284-297.

Глаголевскии Ю.В.: Проблемы происхождения и эволюции магнитных полей химически пекулярных звезд // Докторская диссертация. САО. 1988.

Джордан (Jordan S.): New results of magnetic white dwarfs spectroscopy //In "Magnetic white dwarfs". Proceedings of the Conference. Kiel. Germany. 1997. P. 1-7.

Либерт и Сайон (Liebert J., Sion E.M.): Is the relative frequency of magnetic white dwarfs higher among cool stars than hot stars?// Astrophys. Letters. 1979. V. 20. P. 53-55.

МакКук, Сайон (McCook G. P., Sion E. M.): A catalog of spectroscopically identified white dwarfs // Astrophys. J. 1987. Suppl. Ser. 1987. V. 65. P. 603-653.

МакКук, Сайон (McCook G. P., Sion E. M.) // 1997. Частное сообщение.

Мусяимов и др. (Muslirnov A.G., Van Horn H.M., Wood M.A.): Magnetic field evolution in white dwarfs: the Hall effect and complexity of the field // Astrophys. J. 1995. V. 442. P. 758-767.

Романюк И.Й. // 1997. Частное сообщение.

Хохлова В.Л.: Магнитные звезды // Итоги науки и техники. Серия "Астрономия". 1983. Т. 24. С. 233-278.

Шмидт и Смит (Schmidt G.D., Smith P.S.): A search for magnetic fields among DA white dwarfs // Astrophys. J. 1995. V.448. P.305-312.

Эгрет и Яшек (Egret D., Jaschek M.): The early-type pecular stars //In "Upper main sequence chemically peculiar stars". IAU Coll. University de Liege. 1981. V. 23. P. 495-502.