Исследования магнитных полей некоторых типов звезд с химическими аномалиями

Елькин, Владимир Георгиевич

Исследования магнитных полей некоторых типов звезд с химическими аномалиями тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Елькин, Владимир Георгиевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Архыз МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Исследования магнитных полей некоторых типов звезд с химическими аномалиями»

Автореферат диссертации на тему "Исследования магнитных полей некоторых типов звезд с химическими аномалиями"

О—

оо

§ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СШЩИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи УДК 524.31-337: 524-33-337

ЕЛЬКНН Владимир Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ЗВЕЗД С ХИМИЧЕСКИМИ АНОМАЛИЯМИ

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.

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

И.М. Копылов кандидат физ.-мат. наук Т.А. Рябчикова

Ведущая организация: Крымская Астрофизическая

обсерватория, пос. Научный.

Защита состоится " ^ " т/0*^_Ш8 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 " ^ » МО-рТа_1998 г_

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

Е.К. Майорова

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Магнитные поля были обнаружены у звезд, находящихся в различных областях диаграммы Герцширунга - Рассела. Наблюдательные данные показывают, что многие активные процессы на звездах связаны именно с магнетизмом. Наиболее надежно магнитные поля фиксируются прямыми методами, основанными на эффекте Зеемана, лишь для ограниченного числа некоторых типов звезд. Среди населения верхней части главной последовательности обнаруживаются поля преимущественно дипольной структуры, которые являются характерными для отдельных групп звезд, обладающих специфическими химическими особенностями. В области нижней части главной последовательности с полями связана вспышечная активность красных карликовых звезд и их пятнистая поверхностная структура. У ряда С и К карликов обнаруживается магнитная активность солнечного типа, но в значительно больших масштабах. На поздних стадиях звездной эволюции наблюдаются экстремально большие магнитные поля у некоторых белых карликов, как одиночных, так и входящих в тесные двойные системы.

Эффекты влияния магнитного поля на физические процессы, происходящие со звездой, чрезвычайно многообразны. Вот лишь некоторые из них. Магнитное поле вращающейся звезды, например, может взаимодействовать с околозвездным веществом из-за чего произойдет уменьшение скорости вращения. Поле также может увеличить перенос углового момента от одного внутреннего слоя к другому, вынуждая звезду вращаться твердотельно. В звездах с сильной поверхностной конвекцией поле может облегчить перенос энергии от нижней части фотосферы в верхние слои атмосферы, помогая создавать структуры, подобные солнечным хромосфере, короне и ветру. Магнитные поля влияют на процессы потери массы.

ных Ар-Вр звезд моделью наклонного ротатора. Никто не сомневается в реальности химических аномалий на поверхности этих звезд, что это не просто результат магнитной интенсификации линий, как это предполагалось ранее. Тем не менее многие важные аспекты звездного магнетизма остаются нерешенными.

Одним из центральных является вопрос об образовании крупномасштабных магнитных полей звезд. Большинство исследователей сейчас склоняется к реликтовой природе звездного магнетизма, хотя немало других считают ответственными за возникновение магнитных полей динамо процессы.

Чтобы приблизиться к решению этой проблемы, необходимо выяснить насколько широко распространены магнитные поля среди звезд, как на главной последовательности, так и вне ее. В данное время на БТА проводится программа изучения звездного магнетизма на ранних стадиях эволюции, а именно молодых объектов Ае/Ве Хербига, детальное исследование магнитных полей Ар-Вр звезд и программа исследования магнетизма белых карликов.

Глаголевский и др. (1986) не обнаружили изменений общего магнитного потока Ар-Вр звезд при эволюции поперек главной последовательности. Согласно их выводам, звезда приходит на главную последовательность и уходит с нее, имея практически одинаковый магнитный поток.

Но неизвестно, что происходит с полем после ухода звезды с главной последовательности. Кардинальные изменения, которые происходят с ней, должны, несомненно, влиять и на магнитное поле. Нужно попытаться найти свидетельства, показывающие, как меняется поле при эволюции звезды.

Следующий закономерный вопрос состоит в том: есть ли основание предполагать, что магнитные поля вырожденных звезд имеют генетическую связь с полями у звезд главной последовательности? Достаточно часто в публикациях считается, что родоначальниками магнитных белых карликов могут быть магнитные Ар-Вр звезды.

горые находятся на промежуточных: стадиях эволюции между равной последовательностью и белыми карликами, например шезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов.

Одной из важнейших наблюдательных задач является изуче-ше переменности магнитных полей со временем, включая, как длительный мониторинг для поиска вероятных вековых измене-«ш, так и наблюдения за более короткие временные интервалы щя исследования изменений поля в течение периода вращения. Для многих статистических задач все еще имеется недостаток данных о характере переменности магнитных полей CP звезд.

Цель работы

Исходя из вышеизложенного была поставлена задача:

- На основе высококачественного наблюдательного материала, полученного на 6-метровом телескопе в результате регу-хярных спектроиоляриметрических наблюдений, детально исследовать магнитное поле, изучить его переменность, опреде-шть геометрическую конфигурацию у избранных магнитных звезд главной последовательности.

-Используя новую оригинальную наблюдательную информацию, исследовать химически пекулярные звезды других типов, 1ля которых ранее не проводились Зеемановские наблюдения. [3 программу были включены две группы звезд с химическими особенностями: звезды типа A Boo, имеющие дефицит метал-юв и F звезды с аномалией Sr Л4 077. Особенности химического состава у этих звезд могли свидетельствовать о возможных магнитных полях. Основной задачей их исследования было выяснить принадлежат ли они к магнитным звездам и есть ли ззаимосвязь химических аномалий у них с возможным магнитным полем.

-Проследить возможную эволюцию магнитных полей после плавнох! последовательности, основываясь на наблюдениях двух типов звезд, прошедших стадию красных гигантов: звезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов.

Научная новизна

В результате работы получены новые данные о магнитных полях звезд программы. Из них впервые:

- подробно изучено поведение магнитного поля в течение периода и определена его геометрическая конфигурация у избранных пекулярных звезд;

- получены фазовые кривые изменения поля для звезд 21 Per, HD 200311, HD 217833;

- определено эффективное магнитное поле у Ар звезды HD 47103;

- проведены Зеемановские наблюдения двух групп звезд главной последовательности (типа Л Boo и F звезд с аномалией Sr А4077), на основании которых установлено, что они не имеют глобальных дипольных магнитных полей, аналогичных полям Ар-Вр звезд;

- осуществлен поиск магнитных полей у звезд спектрального класса А и В, принадлежащих горизонтальной ветви, находящихся в галактическом поле;

- проведены исследования магнитных полей у горячих субкарликов спектральных классов sdB, sdOB и sdO.

Практическая и научная ценность

Практическая ценность работы состоит прежде всего в полученных и опубликованных новых научных результатах исследования магнитных полей CP звезд, звезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов.

Полученные данные о магнитных полях у химически пекулярных звезд могут быть использованы в дальнейших исследованиях этих интересных объектов, например при картировании химических неоднородностей и магнитных полей на поверхности, а также в их статистических исследованиях.

Материалы наблюдений магнитных полей различных групп звезд могут использоваться при изучении собственно этих звезд, а также могут послужить дальнейшему развитию теории эволюции звезд. Переменное магнитное поле у субкарликов может дать информацию о периодах вращения этих звезд.

Полученный спектральный материал может быть в дальней-

шем использован для определения химического состава, лучевых скоростей, скоростей вращения и других параметров исследовавшихся звезд.

Материалы диссертации могут быть использованы во многих астрономических институтах (ГАИШ, ГАО, ИНАСАН, КрАО), так как затрагивают различные классы звезд, многие из которых в данный момент активно изучаются.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты детального исследования магнитных полей семи химически пекулярных звезд. Получение кривых изменения поля в течение периодов вращения. Определение геометрических параметров дипольной конфигурации полей в рамках модели наклонного ротатора.

2. Выводы об отсутствии сильных глобальных магнитных полей у звезд с дефицитом металлов типа А Boo и у звезд F с аномалией Sr А4077.

•3. Результаты Зеемановских наблюдений проэволюциониро-вавших звезд спектральных классов А и В, находящихся в галактическом поле и по своим параметрам принадлежащих синей части горизонтальной ветви.

4. Результаты исследования магнитных полей субкарликов sdB и sdOB, имеющих дефицит содержания гелия и He-rich субкарликов типа sdO.

Апробация результатов

Основные результаты работы опубликованы в шестнадцати статьях и докладывались на семинарах:

Специальной астрофизической обсерватории, Крымской астрофизической обсерватории, Университета Вестерн Онтарио, Канада; на международных конференциях: -"Магнитные звезды" Нижний Архыз (1987),

- "Горячие химически пекулярные и магнитные звезды" Германия, Потсдам (1989),

-"Звездный магнетизм" Нижний Архыз (1991), -"Химически пекулярные и магнитные звезды" Словакия (1993),

-"Горячие звезды в гало" США, Скенектади (1993), -"Третья конференция по слабым голубым звездам" США, Скенектади (1996),

-"Магнитные поля звезд" Нижний Архыз (1996), -"Совещании Европейской рабочей группы по исследованию химически пекулярных и магнитных звезд" Австрия, Вена (1997).

Личный вклад автора

По программам исследования магнитных CP звезд автор принимал участие в получении наблюдательного материала на 6-метровом телескопе, его обработке, обсуждении и интерпретации полученных результатов. Участие автора в совместных работах равноправное с соавторами.

Исследование звезд HD 215441, HD 217833 выполнено автором самостоятельно.

Вычисление модели магнитного поля и определение периода HD 184927 было выполнено Вейдом (Канада), а для звезды HD 200311 Вейдом и автором во время командировки в Канаду в октябре 1996 года. Для этих звезд автором были обработаны все спектры, полученные на БТА.

Задача исследования магнитных полей звезд типа АВоо была предложена Илиевым (Болгария). Программа поиска магнитных полей звезд типа F с аномалией Sr А4077 была поставлена Нортом (Швейцария). По двум этим программам автор участвовал в наблюдениях на БТА, на ОЗСП и водородном магнитометре и обсуждении полученных результатов вместе с соавторами Автор обработал большинство спектрального материала.

Автор самостоятельно поставил и осуществил программы исследования магнитных полей звезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов.

Структура работы

Представленная диссертация является результатом работ, выполненных автором в период 1984 - 97 гг. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 23 таблицы, 22 рисунка и библиографию из 192 наименований. Общий объем диссертации 138 страниц.

Краткое содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности работы. Сформулированы цель, задачи и положения, выносимые на защиту. Показано в чем заключается научная новизна и практическая ценность представляемой работы. Дано краткое содержание и список публикаций по теме диссертации, указан личный вклад автора.

Первая глава носит обзорный характер. В ней кратко дается современное состояние проблемы звездного магнетизма. В пунктах 1.1 - 1.3 представлены наиболее важные этапы исследований магнитных полей звезд верхней части главной последовательности, описывается магнитная активность звезд нижней части главной последовательности и других холодных звезд, а также дана информация о наблюдениях магнитных полей у вырожденных звезд.

В пункте 1.J описываются две основные гипотезы возникновения магнитных полей у звезд верхней части ГП: гипотеза реликтового поля и гипотеза динамо механизма. В заключительном пункте 1.5 первой главы рассказывается о наиболее современном методе исследования магнитных поле звезд - методе Доплер - Зеемановского картирования.

анализатора круговой поляризации, фотоэлектрического магнитометра с эталоном Фабри - Перо и магнитометра водородных линий (Бычков и др. 1987). Описывается методика наблюдений магнитных полей, используемая в CAO РАН, и процедуры обработки полученного материала. Рассмотрены особенности получения Зеемановских спектрограмм с ПЗС матрицами. Значительное внимание в этой главе уделялось вопросам определения и учета ошибок измерений магнитных полей, как систематических так и случайных.

Третья глава посвящена исследованию магнитных звезд, принадлежащих верхней части главной последовательности. По измерениям эффективного магнитного поля, полученным в течение периода вращения звезды, мы располагаем достаточной информацией о крупномасштабной структуре поля, чтобы построить его геометрическую модель.

В этой главе представлены результаты исследования эффективного магнитного поля семи СР звезд, выборка которых отражает характерные объекты с разными химическими пекуляр-ностями. Для шести из них были определены параметры геометрической конфигурации поля. В качестве исходной была использована модель наклонного ротатора, которая описывается следующими параметрами: г - угол наклона оси вращения к лучу зрения, (3 - угол наклона оси диполя к оси вращения и Вр - поле на магнитных полюсах. Разновидности этой модели содержат также параметр а, определяющий величину смещения центра диполя в единицах радиуса звезды и напряженность на полюсах полей более высоких порядков, таких как Bq квадру-поль или В0к октуполь. В таблице 1. представлены эти параметры и экстремальные значения поля, которые были определены для исследовавшихся звезд.

Изучение экстремальной кремниевой магнитной звезды HD 215441 показало, что амплитуда переменности эффективного поля данной звезды, определенная по линиям металлов, значительно меньше, чем полученная по линиям водорода Боррой и Ландстритом (1978). Этот результат лишь частично можно объяснить разными методами наблюдений. Наши результаты моделирования структуры поля HD 215441 показали, что в первом приближении можно использовать для нее модель центрального диполя. Измерения поля по разным химическим эле-

ментам указывают на некоторые особенности в их распределении по поверхности звезды. Хром и железо концентрируются ближе к видимому магнитному полюсу, чем кремний и титан. Малая амплитуда переменности поля по линиям титана указывает на то, что он распределен по поверхности более равномерно, чем другие металлы. Эти выводы частично подтверждаются результатами Хохловой и др. (1997), которые провели Доплер -Зеемановское картирование КТО 215441.

Табл. 1. Экстремальные значения магнитных полей и параметры модели наклонного ротатора, полученные для СР звезд

Звезда Bemin/max (Гс) г Р Вр Bq В ok

HD 18296 -210/4-370 34 79 1100

HD 47103 -2400/-4500

HD 112185 -90/4-140 65 58 380

HD 184927 -1200/4-3000 29 76 9700 2000

20 81 13700 -9000 12000

HD 200311 -2800/4-2700 90 28 12800

28 90 12800

HD 217833 -6300/-1200 54 18 21000

HD 215441 +9300/4-15000 20 20 42000

Исследования магнитного поля He-rich звезды HD 184927 показали, что оно описывается кривой, близкой к синусоиде. Фазовые кривые магнитного поля, интенсивности линий гелия и блеск звезды в полосе и меняются синхронно с периодом 9d.52961 ±0d.00731. Это свидетельствует, что в районе положительного магнитного полюса звезды имеется избыток гелия. В районе отрицательного полюса избытка гелия не найдено и это говорит о различии в условиях на магнитных полюсах. Конфигурация магнитного поля близка к дипояьной, но может также содержать компоненты квадруполя или октуполя, сравнимые по напряженности с полем на полюсах диполя.

Впервые были получены фазовые кривые изменения магнитного поля для звезд 21 Per, HD 200311, HD 217833 и по ним вычислены параметры геометрической конфигурации полей.

Найдено, что звезда HD 200311 с аномалией Si Л4200, являет-

ся одной из немногих CP звезд, имеющих двойную фотометрическую волну в течение периода вращения. Наши измерения Д., построенные с этим периодом, имеют хорошо выраженную форму синусоиды. Проекция скорости вращения HD 200311 слишком мала (и sin i ~ 9 км/с), чтобы измерить ее с необходимой точностью и однозначно определить углы г и ft в рамках модели наклонного ротатора. Поэтому в таблице 1 показаны параметры для двух равновероятных моделей диполя этой звезды.

Установлено, что HD 217833 имеет магнитное поле одно из наибольших среди звезд типа He-weak. По результатам наблюдений пояя мы нашли наиболее вероятный период вращения 5d.39 и определили параметры дипольной модели магнитного поля отой звезды.

Все спектрограммы SrEu звезды HD 47103 показывают магнитное поле отрицательной полярности. А так как наши наблюдения охватывают значительный временной интервал, можно предположить, что мы наблюдаем звезду со стороны только одного магнитного полюса. Она обладает переменным полем, которое варьируется от -2.4 до -4.7 кГс. Среднее по четырем спектрам поверхностное поле HD 47103 оказалось равным: В,=11±0.9 кГс.

Хотя это и не доказано, достаточно часто предполагается, что магнитные поля есть во всех пекулярных звездах верхней части главной последовательности с химическими аномалиями в содержании SrCrEu, Si, Не-weak и He-rich. В тех случаях, когда у таких звезд поле не фиксируется, считается, что у них имеется слабое поле с напряженностью ниже порога детектирования даже самыми современными методами. Насколько это верно? В связи с этим вопросом мы осуществили наблюдения магнитных полей у двух хорошо известых Ар звезд: 21 Per, имеющей аномалии SrCrEu и в UMa с избытком Сг. Мы нашли для 21 Per ж е UMa слабые переменные магнитные поля.

Этим подтверждается предположение, что магнитные поля имеются у всех CP звезд с аномалиями химического состава, характерными для магнитных звезд.

Для звезды 21 Per не подтвердились, ранее предполагавшиеся, вековые изменения поля.

Наблюдения магнитных CP звезд и сравнение наших данных с другими методами, в частности с методикой Борры и Ланд-

;трита (1980), показало в делом хорошее согласие для магнит-1ых полей, как минимум, до 10 кГс. Это подтверждает высокую ];остоверность, полученных в диссертации результатов, касаю-цихся не только CP звезд, но и других типов звезд.

В четвертой главе представлены результаты поиска маг-штыых полей у звезд, принадлежащих к разным группам по шмическому составу и эволюционному статусу. В пункте 4-1 вписываются исследования двух типов звезд с необычным химическим составом: звезд типа Л Boo и звезд F с аномалией зг Л4077. Зеемановские наблюдения могли бы помочь в разре-нении вопроса о причинах возникновения у них химических шомалий.

Звезды типа A Boo имеют дефицит от 0.5 до 2.0 dex для тяжелых элементов Mg, Al, Fe, Ni и содержание С, N, О близкое к :олнечному. Наши наблюдения с очень высокой точностью трех звезд типа А Boo не выявили у них магнитного поля. Эти результаты подтверждаются исследованиями Болендера и Ланд-:трита (1990).

Так как вполне возможна генетическая связь звезд F с аномалией Sr А4077 со стронциевыми Ар звездами, было интересно проверить, имеют ли они крупномасштабные магнитные поля, □казалось, что исследуемые звезды разделяются на две группы. Более горячие имеют избыток металлов, а более холодные - или нормальное содержание, или недостаток тяжелых элементов. Критической точкой перехода является температура 7000 К. Мы не обнаружили значимого магнитного поля при наблюдении шести звезд F, имеющих сильную лилию Sr А4077. Это указыва-зт на то, что они относятся к немагнитным звездам главной последовательности, и их химические аномалии сформировались 5ез влияния сильного поля. Причем необходимо отметить, что 5олее холодные из них не могут быть подобны Am звездам, гак как вместо избытка имеют дефицит металлов. Другая же группа этих звезд, напротив, имеющих повышенное содержание металлов, вероятно ближе к немагнитным металлическим Am (Fm) типу, чем к Ар (Fp) звездам, так как согласно нашим исследованиям также не имеет магнитных полей.

В пункте 4данной главы рассмотрены исследования магнитного поля у проэволюционировавших звезд.

Абсолютно неизвестно, что происходит с магнитными поля-

ми звезд после завершения фазы главной последовательности. Катастрофические изменения, которые происходят со звездой, должны повлиять и на магнитное поле.

Хорошо известны две основные популяции звезд с магнитными полями, имеющими крупномасштабную дипольную структуру. Это СР звезды с химическими аномалиями, принадлежащие ГП и на заключительных стадиях звездной эволюции -белые карлики. Естественно было предположить, что они эво-люционно связаны друг с другом. Насколько это предположение может быть верным? Массы магнитных Ар-Вр звезд в большинстве лежат в пределах 1.5 — IOMq. Именно звезды с такими массами становятся впоследствии белыми карликами.

Наблюдения магнитной активности звезд, ушедших с главной последовательности, могут быть ключевыми в решении вопроса об эволюции магнитных полей. Имеется ряд наблюдательных данных, которые указывают на химические аномалии у звезд синей части горизонтальной ветви.

Мы провели исследования восьми звезд горизонтальной ветви. Из них шесть звезд спектрального класса А и две более горячие звезды класса В. Ни одна из них однозначно не показала присутствия магнитного поля. Среднее значение ноля оказалось равно Ве = —90± 380 Гс. Наиболее точные и надежные результаты были получены только для А звезд. И поэтому мы можем сделать вывод, что А звезды горизонтальной ветви, вероятнее всего не имеют сильных глобальных магнитных полей, аналогичных пекулярным магнитным звездам главной последовательности.

В пункте 4-2.3 рассматриваются результаты исследований горячих субкарликов. Содержание гелия у sdB и sdOB звезд понижено относительно Солнца от 2 до 300 раз. Содержание азота близко к нормальному, а углерод и кремний имеют небольшой избыток. Предполагается, что субкарлики sdB могут принадлежать населению старого диска Галактики и по своему эволюционному статусу являются продолжением горизонтальной ветви в сторону более высоких температур.

Избыток гелия у овезд sdO тоже варьируется от Hе/// > 10 до Не/H ~ 0.5. Также эти звезды могут иметь избытки азота и углерода. Звезды типа sdO не составляют однородную группу. Часть их может эволюционировать из звезд sdB или sdOB,

повышая свою температуру и содержание гелия в атмосфере. Другая часть этих звезд может представлять бывшие ядра планетарных туманностей, потерявших свои оболочки и переходящие от асимптотической ветви гигантов к белым карликам

Были проведены исследования магнитных полей для восьми наиболее ярких субкарликов, принадлежащих к разным спектральным группам. Среди них пять звезд He-poor типа sdB и sdOB и три Не-rich звезды sdO. Наблюдения в течение четырех сетов звезды BD+75°325 показали, что она может иметь переменное магнитное поле, меняющееся от -1.7 до 4-1.3 кГс. Для другого субкарлика sdOB BD+25°2534 мы получили серию спектрограмм. Измерения их показали переменное поле, меняющееся от -1.3 до +1.7 кГс с вероятным периодом порядка 100 дней. Реальность результатов подтверждается наблюдениями контрольных звезд, как магнитных, так и немагнитных. У шести других звезд мы не нашли явного присутствия магнитного поля, но для них крайне желательны дополнительные наблюдения. Наши результаты свидетельствуют, что, по крайней мере, некоторые из горячих субкарликов могут обладать измеримыми магнитными полями и эти объекты являются перспективными для дальнейших спектрополяриметрических исследований.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации и предложены направления дальнейших исследований.

Основные реоультаты по теме диссертации опубликованы в следующих статьях

1. Елькин В.Г., Глаголевский Ю.В., Романюк И.И. Магнитное поле 21 Per. 1987, Астрофиз. исслед. (Изв. CAO) 25, 25

2. Iliev I.Kh., Barzova I.S., Glagolevskij Yu.V., Bychkov V.D., Elkin V.G., Romanyuk I.I., Shtol V.G.

Magnetic field measurements of the lambda Bootis type stars: HD 210418. 1988, "Magnetic stars", eds: I.M. Kopylov and Yu.V. Glagolevskij, Proc. of the 7-th magnetic conf. of the East Europ. Countries, Leningrad, p. 87.

3. Iliev I.Kh., Barzova I.S., Glagolevskij Yu.V., Romanyuk I.I., Bychkov V.D., Elkin V.G., Shtol V.G.:

Magnetic field measurements of the A Boo stars: HD 983-53 and HD 125162. 1990, "Hot chemically peculiar and magnetic stars", ed. G.Scholz, Proc. of 8-th magnetic conf. of East Europ. countries Potsdam obs., 125, 78.

4. Elkin V.G.

Measurements of the effective magnetic fields of cool stars. 1990, "Hot chemically peculiar and magnetic stars", ed. G.Scholz, ,Proc. of 8-th magnetic conf. of East Europ. countries Potsdam obs., 125, 29.

5. Бычков В.Д., Глагодевский Ю.В., Елькии В.Г., Копыло-ва Ф.Г. Найденов И.Д., Романхок И.И., Чунакова Н.М., Штоль В.Г.

Магнитное поле и другие параметры химически пекулярных звезд II. 1990, Астрофиз. исслед. (Изв. CAO), 30, 78

6. North P., Glagolevskij Yu.V., Romanyuk I.I., Elkin V.G.: Search for magnetic field in Bidelman's F Sr A4077 stars, 1992, "Stellar magnetism", eds: Glagolevskij Yu.V. and Romanyuk I.I., Proc. of 9-th conf. of East Europ. countries, S.Petersburg, p.51.

7. Elkin V.G.:

The effective magnetic field of HD 215441. 1992, "Stellar magnetism", eds: Glagolevskij Yu.V. and Romanyuk I.I., Proc. of 9-th conf. of East Europ. countries, S.Petersburg, p.67

8. Elkin V.G.:

Magnetic field of the He-weak star HD 217833. 1994, "Chemically peculiar and magnetic stars", eds: J.Zverko and J. Ziznovsky, Proc. of Europ. work, group conference, Tatranska Lomnica, Slovakia, p.35.

9. Елькин В.Г.

Поиск звезд с сильными магнитными полями среди звезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов. 1995, Астрономический журнал 72, 879

10. Глаголевский Ю.В., Елькин В.Г., Романюк И.И., Штоль В.Г. Магнитное поле 21 Per. 1995, Письма в Астрон. журнал 21, 168

11. Elkin V.G. :

Magnetic fields in hot subdwarfs. 1996, Astron. Astrophys. 312, L5-L8

12. Wade G.A., Bohlender D.A., Brown D.N., Elkin V.G., Landstreet J.D., Romanyuk I.I The magnetic field and helium variation of the helium - strong star HD 184927. 1997, Astron. Astrophys. 320, 172

13. Elkin V.G., Wade G.A.

The longitudinal magnetic field of the Ap star HD 47103. "Stellar magnetic fields" материалы международного совещания, Нижний Архыз, 1997, ред. Глаголевский Ю.В., Романюк И.И.стр. 106

14. Schtol V.G., Elkin V.G, Romanyuk I.I.

Magnetic field of epsilon UMa. "Stellar magnetic fields" материалы международного совещания, Нижний Архыо, 1997, ред. Глаголевский Ю.В., Романюк И.И. стр. 207

15. Wade G.A. Elkin V.G., Landstreet J.D., Romanyuk I.I.

The magnetic field geometry and rotational period of the Bp star HD 200311. 1997, MNRAS 292, 748

16. Elkin V.G.

A search for magnetic stars in late stages of stellar evolution. 1998, Proceedings of the 26th workshop of the European working group on CP stars. Editors: P. North, A. Schnell and J. Ziznovsky, Astron Institute of SAS and Slovak Astronomical Society, Tatranska Lomnica. p. 72

Литература

1. Бопендер и Ландстрит (Bohlender D.A., Landstreet J.D.)

A search for magnetic fields in Lambda Bootis stars. 1990, MNRAS 247, 606

2. Борра и Ландстрит (Borra E.F., Landstreet J.D.)

The magnetic field geometry of HD 215441. 1978, Astrophys. J. 222, 226

3. Борра и Ландстрит (Borra E.F., Landstreet J.D.)

The magnetic fields of the Ap stars. 1980, Astrophys. J. Suppl. 42, 421

4. Бычков В.Д., Гажур Е.Б., Глаголевский Ю.В., Елькин В.Г., Назаренко А.Ф., Найденов И.Д., Романюк И.И., Чунто-нов Г.А., Штоль В.Г.

Instrumentation for measurements of stellar magnetic fields with 6-m telescope. 1988, Magnetic stars, ред. Глаголевский Ю.В., Копылов И.М., Наука Ленинград, стр. 12

5. Глаголевский 10.В., Кяочхова В.Г., Копылов И.М. Investigations of the magnetic fields of chemically peculiar stars of different age. 1986, Upper Main Seq. Stars with the Anomalous Abundances eds. C. R. Cowley, M. M. Dworetsky, and C. Megessier Dordrecht: Reidel, p.29-32

6. Хохлова В.Л., Васияьченко Д.В., Степанов В.В., Цым-бал В.В.

Доплер-Зеемановское картирование магнитной CP звезды HD 215441. 1997, Письма в Астрон. журн. 27, 532

Текст научной работы диссертации и автореферата по астрономии, кандидата физико-математических наук, Елькин, Владимир Георгиевич, Нижний Архыз

I ' ■ } . I !

* 4 " " -

Российская Академия Наук Специальная Астрофизическая Обсерватория

На правах рукописи УДК 524.31-337; 524.33-337

Елькин Владимир Георгиевич

Исследования магнитных полей некоторых типов звезд с химическими аномалиями

(01.03.02, астрофизика, радиоастрономия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук Пшголевский Ю.В.

Нижний Архыз 1998

Содержание

Введение 3

1 Современное состояние исследования звездного магнетизма 18

1.1 Магнитные поля звезд верхней части главной последовательности .................... 18

1.2 Магнитная активность звезд нижней части главной последовательности и других холодных звезд . 22

1.3 Результаты исследований магнетизма вырожденных звезд......................... 24

1.4 Возникновение магнитных полей у звезд верхней части главной последовательности.......... 25

1.5 Картирование магнитных полей звезд........ 26

2 Аппаратура и методика измерений магнитных полей звезд 28

2.1 Введение..................................................28

2.2 Основные принципы измерений магнитных полей звезд ......................................................29

2.3 Наблюдения с анализатором круговой поляризации 32

2.3.1 Описание анализатора и возможности его применения........................................32

2.3.2 Особенности наблюдений с ПЗС системами . 34

2.3.3 Вопросы точности измерения полей..........35

2.4 Фотоэлектрические способы наблюдений............39

2.4.1 Фотоэлектрические измерения по линиям металлов ..............................................39

2.4.2 Магнитометр водородных линий..............41

3 Исследование магнитных полей химически пекуляр-

ных Ар-Вр звезд 43

3.1 Введение..................................................43

3.2 Звезды с сильными полями............................47

3.2.1 Звезда Бебкока HD 215441 ......................47

3.2.2 Магнитное поле и распределение гелия у Herich звезды HD 184927 ..........................62

3.2.3 Геометрия магнитного поля и период вращения HD 200311 ....................................68

3.2.4 Магнитное поле He-weak звезды HD 217833 . 72

3.2.5 Эффективное магнитное поле Sr-Eu звезды

HD 47103 ..........................................76

3.3 Исследование слабых магнитных полей у Ар звезд . 79

3.3.1 Введение..........................................79

3.3.2 Магнитное поле 21 Per..........................80

3.3.3 Магнитное поле е UMa..........................84

3.4 Выводы....................................................88

4 Поиск магнитных полей у некоторых типов звезд,

обладающих химическими аномалиями 89

4.1 Исследование двух групп звезд главной последовательности ..................................................89

4.1.1 Введение......................89

4.1.2 Звезды типа ЛВоо................................90

4.1.3 Звезды спектрального класса F с аномалией

Sr Л4077 ............................................93

4.1.4 Выводы............................................95

4.2 Звезды после главной последовательности............96

4.2.1 Введение..........................................96

4.2.2 Звезды горизонтальной ветви..................98

4.2.3 Горячие субкарлики...............105

4.2.4 Выводы......................115

Заключение 117

Список литературы 121

Введение

Актуальность работы

Магнитные поля были обнаружены у звезд, находящихся в различных областях диаграммы Герцшпрунга - Рассела. Наблюдательные данные показывают, что многие активные процессы на звездах связаны именно с магнетизмом. Наиболее надежно магнитные поля фиксируются прямыми методами, основанными на эффекте Зеемана, лишь для ограниченного числа некоторых типов звезд. Среди населения верхней части главной'последовательности обнаруживаются поля преимущественно диполь-ной структуры, которые являются характерными для отдельных групп звезд, обладающих специфическими химическими особенностями. В области нижней части главной последовательности с полями связана вспышечная активность красных карликовых звезд и их пятнистая поверхностная структура. У ряда С и К карликов обнаруживается магнитная активность солнечного типа, но в значительно больших масштабах. На поздних стадиях звездной эволюции наблюдаются экстремально большие магнитные поля у некоторых белых карликов, как одиночных, так и входящих в тесные двойные системы.

Эффекты влияния магнитного поля на физические процессы, происходящие в звездах, чрезвычайно многообразны. Вот лишь некоторые из них. Магнитное поле вращающейся звезды, например, может взаимодействовать с околозвездным веществом, из-за чего произойдет уменьшение скорости вращения. Поле также может увеличить перенос углового момента от одного внутреннего слоя к другому, вынуждая звезду вращаться твердотельно. В звездах с сильной поверхностной конвекцией поле может облегчить перенос энергии от нижней части фотосферы в верхние

слои атмосферы, помогая создавать структуры, подобные солнечным хромосфере, короне и ветру. Магнитные поля влияют на процессы потери массы.

К настоящему времени накоплено большое количество наблюдательной информации о магнитных полях звезд и активно развивается теория звездного магнетизма. Многие вопросы, касающиеся этой проблемы, получили свое объяснение. Уже нет сомнений и разногласий по поводу представления магнитных Ар-Вр звезд моделью наклонного ротатора. Никто не сомневается в реальности химических аномалий на поверхности этих звезд, что это не просто результат магнитной интенсификации линий, как это предполагалось ранее. Тем не менее многие важные аспекты звездного магнетизма остаются нерешенными.

Глаголевский и др. (1986а) не обнаружили изменений общего магнитного потока Ар-Вр звезд при эволюции поперек главной последовательности. Согласно их выводам, звезда приходит на главную последовательность и уходит с нее, имея практически одинаковый магнитный поток.

По неизвестно, что происходит с полем после ухода звезды с главной последовательности. Кардинальные изменения, которые происходят с ней, должны, несомненно, влрьять и на магнитное поле. Нужно попытаться найти свидетельства, показывающие, как меняется поле в ходе эволюции звезды.

Следующий закономерный вопрос состоит в том: есть пи основание предполагать, что магнитные поля вырожденных звезд имеют генетическую связь с полями у звезд главной последовательности? Достаточно часто в публикациях считается, что родоначальниками магнитных белых карликов могут быть магнитные Ар-Вр звезды.

Выяснению этих вопросов может помочь изучение поведения магнитного поля у звезд после их ухода с главной последовательности. Поэтому одной из актуальных задач является проведение спектрополяриметрических исследований звезд, которые находятся на промежуточных стадиях эволюции между главной последовательностью и белыми карликами, например звезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов.

Одной из важнейших наблюдательных задач является изучение переменности магнитных полей со временем, включая, как длительный мониторинг для поиска вероятных вековых изменений, так и наблюдения за более короткие временные интервалы для исследования изменений поля в течение периода вращения. Для многих статистических задач все еще имеется недостаток данных о характере переменности магнитных полей CP звезд.

Цель работы

Исходя из вышеизложенного была поставлена задача:

- На основе высококачественного наблюдательного материала, полученного на 6-метровом телескопе, в результате регулярных спектрополяриметрических наблюдений, детально исследовать магнитное поле, изучить его переменность, определить геометрическую конфиглфацию у избранных магнитных звезд главной последовательности.

-Используя новую оригинальную наблюдательную информацию, исследовать химически пекулярные звезды других типов, для которых ранее не проводились Зеемановские наблюдения. В программу были включены две группы звезд с химическими особенностями: звезды типа Л Boo, имеющие дефицит металлов, и F звезды с аномалией Sr Л4077. Особенности химического состава у этих звезд могли свидетельствовать о возможных магнитных

полях. Основной задачей их исследования было выяснить, принадлежат ли они к магнитным звездам и есть ли взаимосвязь химических аномалий у них с возможным магнитным полем.

-Проследить возможную эволюцию магнитных полей после главной последовательности, основываясь на наблюдениях двух типов звезд, прошедших стадию красных гигантов: звезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов.

Научная новизна

В результате работы получены новые данные о магнитных полях звезд программы. Из них впервые:

- получены фазовые кривые изменения поля для звезд 21 Per, HD 200311, HD 217833;

- определено эффективное магнитное поле у Ар звезды HD 47103;

- проведены Зеемановские наблюдения двух групп звезд главной последовательности (типа A Boo и F звезд с аномалией Sr А4077), на основании которых установлено, что они не имеют глобальных дипольных магнитных полей, аналогичных полям Ар-Вр звезд;

- проведены исследования магнитных полей у горячих субкарликов спектральных классов sdB, sdOB и sdO.

Практическая и научная ценность

Практическая ценность работы состоит прежде всего в полученных и опубликованных новых наз^чных результатах исследования магнитных полей CP звезд, звезд горизонтальной ветви и горячих субкарликов.

ческих неоднородностей и магнитных полей на поверхности, а также в их статистических исследованиях.

Полученный спектральный материал может быть в дальнейшем использован для определения химического состава, лучевых скоростей, скоростей вращения и других параметров исследовавшихся звезд.

Положения, выносимые на защиту

2. Выводы об отсутствии сильных глобальных магнитных полей у звезд с дефицитом металлов типа Л Boo и у звезд F с аномалией Sr Л4077.

3. Результаты Зеемановских наблюдений проэволюционировав-ших звезд спектральных классов А и В, находящихся в галактическом поле и по своим параметрам принадлежащих синей части горизонтальной ветви.

Апробация результатов

Результаты работы опубликованы в шестнадцати печатных работах, докладывались на семинарах:

-"Звездный магнетизм" Нижний Архыз (1991), -"Химически пекулярные и магнитные звезды" Словакия (1993), -"Горячие звезды в гало" США, Скенектади (1993), -"Третья конференция по слабым голубым звездам" США, Скенектади (1996),

Личный вклад автора

Исследование звезд HD 215441, HD 217833 выполнено автором самостоятельно.

том (Швейцария). По двум этим программам автор участвовал в наблюдениях на БТА, на ОЗСП и водородном магнитометре и обсуждении полученных результатов вместе с соавторами Автор обработал большинство спектрального материала.

Структура работы

Краткое содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности работы. Сформулированы цель, задачи и положения, выносимые на защиту. Показано, в чем заключается научная новизна и практическая ценность представляемой работы. Дано краткое содержание и список публикаций по теме диссертации, указан личный вклад автора.

В пункте 1.4 описываются две основные гипотезы возникновения магнитных полей у звезд верхней части ГП: гипотеза реликтового поля и гипотеза динамо механизма. В заключительном пункте 1.5 первой главы рассказывается о наиболее современном методе исследования магнитных поле звезд - методе До-

плер - Зеемановского картирования.

Вторая глава дает описание основных принципов измерения магнитных полей звезд, основанных на эффекте Зеемана. При изучении магнитных полей звезд требуется высокое спектральное разрешение, высокое отношение сигнал/шум и поэтому возможно лишь на крупных телескопах. Также необходимо специальное поляриметрическое оборудование. В связи с этим здесь рассматривается созданный в CAO РАН эффективный комплекс аппаратуры для спектрополяриметрических исследований магнитных полей звезд, состоящий из ахроматического анализатора круговой поляризации, фотоэлектрического магнитометра с эталоном Фабри - Перо и магнитометра водородных линий (Бычков и др. 1987). Описывается методика наблюдений магнитных полей, используемая в CAO РАН, и процедуры обработки полученного материала. Рассмотрены особенности получения Зеемановских спектрограмм с ПЗС матрицами. Значительное внимание в этой главе уделялось вопросам определения и учета ошибок измерений магнитных полей, как систематических так и случайных.