Исследование спектральной и фотометрической переменности ОВ-звезд с аномальными пространственными скоростями тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени П.К. ШТЕРНБЕРГА

На правах рукописи УДК 524.312

БАРАННИКОВ Алексей Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ И ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕМЕННОСТИ ОВ-ЗВЕЗД С АНОМАЛЬНЫМИ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ

СКОРОСТЯМИ

Специальность 01.03.02 - Астрофизика, Радиоастрономия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Член-Корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор A.M. Чорепащук

МОСКВА - 1999

Содержание

Введение...............................................................3

I Методика получения и обработки спектральных и фотоэлектрических наблюдений исследуемых звезд 12

1.1 Спектральные наблюдения.................... 12

1.2 Фотоэлектрические наблюдения................. 19

1.3 Методы поиска скрытой периодичности неравномерных временных рядов спектральных и фотоэлектрических наблюдений ................................ 22

II Спектральные и фотоэлектрические наблюдения В-звезд

V 600 Her и HD 161573 29

И. 1 Наблюдения B0.5III эллипсоидальной переменной V 600 Her

(HD 149881) ........................................................29

II.2 Новые наблюдения B4V звезды HD 161573 ......................44

IIIПоиск релятивистских спутников у "убегающих" О-звезд 53

III. 1 Изучение природы переменности лучевых скоростей и опти-

ческого блеска 08If звезды 9 Sge (HD 188001)......... 53

III.2 Исследование спектральной и фотометрической переменности 05Vnfp звезды HD 192281 .................. 71

IV Исследование спектральной и фотометрической переменности пекулярной "убегающей" 07Ifpe звезды HD 108 85

IV. 1 Введение.............................. 85

IV.2 Наблюдения............................ 88

IV.3 Поиск и изучение долговременной переменности лучевых

скоростей, блеска и цвета .................... 90

Изучение коротковременных изменений лучевых скоростей,

блеска и цвета...........................108

ПЛ5 Спектральные высокодисперсионные ПЗС наблюдения . . .110

IV.6 Заключение .............................115

Заключение.........................................................117

Список литературы................................................124

Приложения........................................................140

Введение

Современная теория звездной эволюции в отношении массивных двойных систем предсказывает, что число релятивистских объектов, являющихся мощными источниками рентгеновского излучения, составляет лишь небольшую часть (ок. 1%) от общего числа релятивистских объектов в паре с ОВ - звездами (Ван ден Хейвел и Хейз, 1972 [45], Тутуков и Юнгель-сон, 1973 [130], Масевич и др., 1976 [96]). Остальные 99 % нейтронных звезд и черных дыр в массивных тесных двойных системах (ТДС) должны находиться в нерентгеновской стадии, т.е. излучение этих объектов в рентгеновском диапазоне сравнительно невелико. По различным оценкам таких "спокойных" двойных систем с релятивистскими спутниками может наблюдаться тысячи в нашей Галактике. Ожидаемое преобладание нерентгеновских двойных систем над рентгеновскими связано в первую очередь с продолжительным временем ядерной эволюции звезды. По эволюционному сценарию для массивных тесных двойных систем (Ван ден Хейвел, 1976 [46]), после взрыва сверхновой и образования релятивистского объекта, маломассивная ОВ - звезда к этому моменту не успевает проэволюционировать и, как правило, еще находится на Главной Последовательности. Следовательно, аккреция вещества на компактный объект обусловлена, в основном, веществом звездного ветра нормальной ОВ -звезды. Даже значительный темп истечения вещества посредством сильного звездного ветра не в состоянии образовать мощный рентгеновский источник. Для этого необходимо, чтобы прошло время порядка времени ядерной эволюции звезды (101О(М/М0)~2 лет), когда поверхность нормальной звезды приблизится к границам полости Роша, при этом значи-

тельно увеличится темп истечения вещества через окрестности внутренней точки Лагранжа, что приведет к образованию аккреционного диска и мощному энерговыделению в рентгеновском диапазоне. Другим аргументом в пользу значительного преобладания объектов, находящихся в нерентгеновской стадии над рентгеновской, служит особенность эволюции молодых релятивистских звезд, которые не в состоянии аккрецировать вещество ОВ - звезды даже при достаточном темпе аккреции. Это следует из работ Корнилова и Липунова (Корнилов и Липунов, 1983 а [71], Корнилов и Липунов, 1983 6 [72]), в которых вместе с эволюцией оптического компонента ТДС анализируется и эволюция коллапсирующей звезды, которая именно в неаккрецирующей стадии (стадии "пропеллера", эжекти-рующего пульсара) может находиться довольно продолжительное время.

Из этого следует, что поиск релятивистских спутников именно в нерентгеновских двойных системах представляет собой исключительно важную и перспективную наблюдательную задачу. В рентгеновской стадии присутствие релятивистского объекта в двойной системе приводит к огромному выделению энергии 1036 ^ 1039 эрг/с) в рентгеновском диапазоне, что можно наблюдать как феномен компактного рентгеновского источника: рентгеновский пульсар, рентгеновские затмения, высокочастотные рентгеновские флуктуации и т.д., Подобных объектов к настоящему времени обнаружено десятки тысяч в нашей и ближайших галактиках. Но по каким же особенностям следует отбирать объекты, не являющиеся мощными источниками рентгеновского излучения, среди огромного множества ОВ-звезд для поиска у них релятивистских спутников? По оценке Вайяна и др. (1981) [39] в нерентгеновских двойных системах ожидаемая светимость в рентгеновском диапазоне от аккреции на релятивистский объект звездного ветра нормальной ОВ - звезды очень мала 1031 -г- 1034 эрг/с), что сравнимо с собственной рентгеновской светимостью ОВ - звезд. Поэтому для поиска релятивистских спутников в нерентгеновских двойных системах необходимо использовать ряд

косвенных критериев или внешних признаков, основанных на некоторых особенностях физических характеристик и кинематики нормальных ОВ - звезд, имеющих отличительные особенности ввиду того, что в системе произошел взрыв сверхновой или невидимая компонента проявляет себя специфическим образом.

К таким признакам можно отнести следующие наблюдаемые особенности :

1) Пространственная пекулярная скорость звезды превышает более чем в 3 раза среднедисперсионную скорость для массивных ОВ - звезд, т.е. Ур > 30 км/с. Такая большая скорость может быть следствием импульса, полученного в результате взрыва сверхновой в ТДС. Подобные объекты называют "убегающими" ОВ - звездами.

2) Большая высота звезды над галактической плоскостью, превышающая ъ > 60 -т- 80 пк. Этот признак является следствием большой пространственной пекулярной скорости звезды и косвенным образом подтверждает первый признак в том случае, когда Ур невозможно точно определить. В результате полученной большой пространственной скорости за время, прошедшее после взрыва сверхновой, звезда "ушла" от места своего рождения на такие высоты г, на которых молодые массивные звезды не рождаются.

3) Звезда окружена кольцевой туманностью, которая может образоваться вокруг ТДС в результате взрыва сверхновой и сброса оболочки, а также из-за выброса массы во время бурного обмена веществом между компонентами.

4) Звезда обладает химическими аномалиями. Например, избыток элементов группы СГЮ может быть вызван обогащением атмосферы ОВ -звезды этими элементами при взрыве сверхновой, а также при перетекании вещества атмосферы предсверхновой на менее проэволюционировав-шую звезду.

5) Наблюдается эллипсоидальная переменность блеска ОВ - звезды, пе-

ременная поляризация или переменное нетепловое радиоизлучение. Эти признаки могут появиться, когда нормальная звезда проэволюциониро-вала и приблизилась к внутренней полости Роша, а ее релятивистский спутник еще не дошел до аккрецирующей стадии.

6) ОВ - звезда обладает слабой периодической переменностью лучевых скоростей. Данный признак является дополнительным к остальным и при наличии хотя бы одного из вышеперечисленных 5 признаков значительно повышает вероятность того, что эта ОВ - звезда может быть двойной системой в нерентгеновской стадии в паре с релятивистским спутником. Если орбита двойной системы удачно расположена относительно наблюдателя, то оптическая звезда должна показывать периодическую переменность лучевых скоростей с малой амплитудой 10 км/с), а в некоторых случаях - переменность блеска и даже наличие главного и вторичного минимумов на кривой блеска.

7) В последнее время к этим шести "классическим" критериям добавился еще один - существование у ОВ-звезд головных ударных волн ("bow shocks"), которые появляются в результате сверхзвукового движения звезды относительно межзвездной среды (Ван Барен и др., 1995 [43]). Подобные структуры были обнаружены в последнее время у многих десятков "убегающих" ОВ-звезд. Ярким доказательством эволюционной близости рентгеновских двойных систем и "убегающих" ОВ-звезд явилось недавнее обнаружение головных ударных волн у известной рентгеновской двойной системы Vela Х-1 (Капер и др., 1997 [61]).

Именно по этим направлениям ведется поиск нерентгеновских двойных систем с релятивистскими спутниками. Составлены различные списки возможных кандидатов (Бекенстейн и Боуэр, 1974 [31]; Хатчингс, 1976 [138]; Стоун, 1979 [125], 1982 [127]; Гармани и др., 1980 [48]; Сибесма и Де Лур, 1982 [116]), а по ним в ряде стран разработаны программы наблюдений. В частности, такая программа была создана в Отделе звездной астрофизики Гос. астрономического института им. П.К. Штернберга

б

(Черепащук и Кукаркин, 1976 [155]) и с 1976 г. был начат систематический поиск релятивистских спутников в нерентгеновских двойных системах, который продолжается и в настоящее время. Данная диссертационная работа является частью и продолжением этой большой наблюдательной программы. С середины 70-х годов наблюдатели многих стран ведут наблюдения за подобными объектами. Следует отметить, что постоянные наблюдения ведутся не только за объектами, которые предположительно находятся в нерентгеновских стадиях, но и за системами, существование которых предсказывается всеми звеньями в цепи эволюционного сценария (звезды Вольфа-Райе с ОВ-компонентами в ТДС, рентгеновские двойные системы, стадия звезды с релятивистским объектом в центре, двойные радиопульсары и т.д.).

Но после целого ряда положительных результатов (см. например, обзор Асланова и Черепащука, 1984 [154]) и оптимистических прогнозов, последовали также прямо противоположные выводы, подвергающие сомнению отдельные звенья в цепи эволюционного сценария, а следовательно, ведущие к пересмотру всего сценария в целом. Так например, высокие пространственные пекулярные скорости у "убегающих" звезд рассматриваются не как следствие взрыва сверхновой в ТДС, а как результат выброса этих звезд из звездных скоплений в процессе динамического взаимодействия двойных (Леонард и Дункан, 1988 [85], Леонард, 1990 [87]; Леонард, 1995 [89]). В некоторых работах подвергаются сомнению высокие значения пекулярных скоростей, интерпретируемые не как скорости движения звезд в целом, а как формально полученные из-за вклада в Vp сильно отрицательной радиальной компоненты лучевой скорости, которая получается благодаря оптически толстому звездному ветру уже у уровня формирования спектральных линий (Гиес и Болтон, 1986 [50]). По-разному объясняется переменность лучевых скоростей и блеска. Пожалуй самое распространенное естественное объяснение, альтернативное гипотезе двойственности, является интерпретация кривых лучевых скоростей и блеска

в рамках моделей различных атмосферных физических переменностей.

Особенно, как оказалось, сложна задача поиска релятивистских спутников у "убегающих" ОВ - звезд и здесь имеется больше всего разногласий. Это связано с тем фактом, что ОВ - звезды в среднем имеют большие массы, а следовательно, они должны иметь малые наблюдаемые полуамплитуды изменения лучевых скоростей, даже при удачном расположении орбиты по отношению к наблюдателю. Более того, ОВ

- звезды заполняют лишь малую часть своих полостей Роша и ожидаемая амплитуда эффекта эллипсоидальности очень мала. Более низкий темп потери массы этих звезд по сравнению, например, с - звездами не в состоянии привести к появлению заметных эффектов аккреции в рентгеновском и оптическом диапазонах. Анализ спектральных и фотометрических переменностей усложняется присутствием сильной атмосферной нестационарности ОВ-звезд. Следовательно, поиск и изучение периодических переменностей лучевых скоростей и блеска у "убегающих" ОВ - звезд позволит ответить на вопрос о природе подобных переменностей, которые можно интерпретировать атмосферными процессами или двойственностью. Как уже было сказано выше, возможность последнего предсказывается эволюционным сценарием для массивных тесных двойных систем, в котором одно из звеньев эволюционной цепи содержит ОВ

- звезду в паре с релятивистским спутником как результат взрыва сверхновой в двойной системе. Важность поиска релятивистских спутников у ОВ - звезд была подтверждена недавним обнадеживающим сообщением об открытии в нашей Галактике Ве-звезды в паре с радиопульсаром Р811 В1259-63 (Джонстон и др., 1992 [55]). Немного позже был открыт в ММО еще один радиопульсар РЭИ 10045-7319 в паре с В-звездой (Каспи и др., 1996 [62]). Эти, пока уникальные двойные системы заняли свою эволюционную нишу сценария рядом с широко известными массивными рентгеновскими двойными системами и двойными радиопульсарами. Ответ на вопрос о двойственности "убегающих" звезд, очевидно, требует для

каждого объекта накопления многолетних наблюдений. Тем более, что ожидаемые орбитальные периоды могут составлять многие годы. Поэтому поиск и интерпретация переменностей лучевых скоростей и блеска у "убегающих" звезд представляет собой очень трудоемкую, но необходимую и не бесперспективную задачу.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию спектральной и фотометрической переменности OB - звезд, каждая из которых обладает несколькими перечисленными выше признаками систем, находящихся в нерентгеновской стадии эволюции и возможно имеющих релятивистские спутники. Цель работы заключается в следующем :

1) Провести спектральные наблюдения исследуемых звезд с целью обнаружения периодической переменности лучевых скоростей. Если переменность была ранее заподозрена, то подтвердить ее, уточнив при этом период.

2) Получить высокоточные ряды фотоэлектрических наблюдений звезд в фильтрах В, V, и R и проанализировать полученные данные на переменность блеска и показателей цвета.

3) Провести совместный анализ полученных кривых лучевых скоростей и кривых блеска с целью интерпретации их происхождения в рамках модели двойственности или атмосферной физической переменности. На основе анализа оценить параметры исследуемых систем (элементы орбиты, массы невидимых спутников и т.д.).

В первой главе диссертации приводится методика получения и особенности обработки спектральных и фотоэлектрических наблюдений. Кратко описана сущность применяемых методов выделения скрытой периодичности неравномерных временных рядов астрономических наблюдений. На основе собственных наблюдений автора, а также литературных источников, дана тестовая апробация используемых методов поиска периодов.

Во второй главе изложены результаты исследования спектральных и фотоэлектрических переменностей В - звезд V 600 Her (HD 149881) и

НБ 161573. Для V 600 Нег приводятся результаты совместного решения кривой лучевых скоростей и кривых блеска методом синтеза. На основе собственных спектральных наблюдений и данных из литературных источников по лучевым скоростям получены орбитальные параметры НБ 161573.

Третья глава посвящена результатам поиска двойственности у двух "убегающих" О - звезд 9 Sge (НБ 188001) и НБ 192281, предположительно находящихся в нерентгеновской стадии своей эволюции. Проведен подробный анализ спектральных и фотометрических переменостей данных звезд и дается интерпретация обнаруженных переменностей лучевых скоростей и блеска.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию пекулярной "убегающей" СЯр звезды НБ 108. Проведенные тщательные наблюдательные исследования переменности лучевых скоростей и блеска приводят к модели долговременной спектральной и фотометрической переменной, в рамках которой возможно интерпретировать наблюдаемые переменности.

В заключении кратко изложены основные научные результаты и подводятся главные итоги проведенного исследования.

На защиту выносятся следующие результаты :

1) На основе спектральных и фотометрических исследований уточнены (методом синтеза) параметры двойной ВО.5111 звезды V 600 Нег. Многолетние (1989 - 1994 гг.) высокоточные фотоэлектрические наблюдения подтверждают эллипсоидальную переменность ее блеска с периодом Р = 5.^20065 и амплитудой ~ 0.т02.

2) Результаты анализа переменности лучевых скоро�