Лучевые скорости и проблема двойственности классических цефеид тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

/л ,t J l f Г- л \ /

07 •' fi. - 1 4t И ~Л

t

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ АСТРОНОМИИ_

На правах рукописи

ГОРЫНЯ НАТАЛЬЯ АНДРЕЕВНА

УДК 523.841.3

ЛУЧЕВЫЕ СКОРОСТИ И ПРОБЛЕМА ДВОЙСТВЕННОСТИ КЛАССИЧЕСКИХ ЦЕФЕИД

Специальность 01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители доктор физ.-мат. наук H.H. Самусь, доктор физ.-мат. наук A.C. Расторгуев

МОСКВА — 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА I. ОБЗОР НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ В СВЯЗИ С ПОСТАНОВКОЙ

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 10

1.1. Начальный этап исследований лучевых скоростей цефеид

с конца XIX в. до середины XX в. 10

1.2. Открытие и исследование спектрально-двойных цефеид 14

1.3. Корреляционные спектрометры типа ССЖАУЕЬ и их роль в исследовании лучевых скоростей цефеид 24

ГЛАВА II. НАБЛЮДЕНИЯ ЛУЧЕВЫХ СКОРОСТЕЙ ЦЕФЕИД С КОРРЕЛЯЦИОННЫМ СПЕКТРОМЕТРОМ,

КАТАЛОГИ И АТЛАС КРИВЫХ ЛУЧЕВЫХ СКОРОСТЕЙ ЦЕФЕИД 30

2.1. Измеритель лучевых скоростей (ИЛС) 30

2.2. Измерения с корреляционным спектрометром ИЛС лучевых скоростей переменных звезд с пекулярными спектрами 32

I. Переменная звезда К Северной Короны 33

П. Полуправильная переменная звезда V1027 Лебедя 3 5

Ш. Химически пекулярные звезды 37

a) Лучевые скорости Ат-звезды ИТ Уи1 (15 Уи1) 37

b) Лучевые скорости уЕци 38

c) Лучевые скорости 49 Сат = ВС Сат 40 IV. Лучевые скорости переменной звезды 5 Щита 42

2.3. Наблюдения лучевых скоростей цефеид 44

2.3.1. Постановка задачи 44

2.3.2. Программа наблюдений 45

2.3.3. Методика наблюдений и обработка данных 54

2.3.4. Каталоги лучевых скоростей цефеид 56

2.4. "Последовательность Герцшпрунга" по лучевым скоростям цефеид 64

2.5. Лучевые скорости бимодальных цефеид 78

ГЛАВА III. ПРОБЛЕМЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ДВОЙСТВЕННОСТИ

ЦЕФЕИД 92

3.1. Средние лучевые скорости цефеид 94

3.2. Обнаружение и подтверждение спектральной двойственности классических цефеид. Частота встречаемости спектрально-двойных цефеид 108

3.3. Методика и результаты определения орбитальных элементов спектрально-двойных цефеид 114

3.3.1. Метод вычисления орбитальных параметров 115

3.3.2. Предварительная подготовка материала 121

3.3.3. Результаты определения параметров орбит и масс спутников

спектрально-двойных цефеид 123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 168

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КАТАЛОГ ЛУЧЕВЫХ СКОРОСТЕЙ ЦЕФЕИД I

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АТЛАС ЛУЧЕВЫХ СКОРОСТЕЙ ЦЕФЕИД i

з

Ducunt volentem fata, nolentem trahunt

Сенека

Гипотеза или теория - нечто ясное, конкретное и позитивное,

но в нее не верит никто, кроме ее создателя. Напротив, результаты эксперимента - нечто запутанное и неточное, но в них верят все, кроме того, кто выполнил работу.

Харлоу Шепли

ВВЕДЕНИЕ

Из всех типов переменных звезд наиболее хорошо исследованными являются "цефеиды", получившие свое обозначение по звезде 6 Цефея, открытой в 1784 г. Гудрайком и ставшей родоначальником самого знаменитого и наиболее интересного класса переменных звезд, ибо трудно переоценить роль цефеид в определении расстояний до внегалактических систем, в изучении структуры и динамики нашей Галактики, а также в исследованиях эволюции звезд.

Согласно современной классификации переменных звезд, данной в 4 издании ОКПЗ (1985), звездами типа 6 Цефея (S Сер), классическими цефеидами (в дальнейшем будем придерживаться обозначения, данного в каталоге — DCEP), называют сравнительно молодые звезды, располагающиеся после ухода B-звезд с главной последовательности в полосе нестабильности на диаграмме Герцшпрунга -Рессела и становящиеся радиально пульсирующими переменными высокой светимости классов lb—II. Это цефеиды плоской составляющей Галактики (населения I), подчиняющиеся известной зависимости период - светимость. Спектральные классы этих звезд в максимуме блеска F5-F8, в минимуме G-K, причем тем более поздние, чем больше периоды изменения блеска. В нашей Галактике периоды классических цефеид заключены в пределах от одних суток до 45d (на северном небе известна лишь одна цефеида S Vul, период которой равен 68d). В других галактиках известны цефеиды с периодами до 135d. Амплитуды изменения блеска цефеид заключены в пределах от 0т.1 до 2т (V). Единственным до сих пор исключением остается Полярная звезда (a UMi), амплитуда которой в начале нашего века

составляла 0т.18 - 0т.20, однако Ареллано Ферро (1983) обнаружил уменьшение амплитуды изменения блеска до 0т.07 и предсказал в скором времени прекращение вообще всяких пульсаций этой звезды.

Обозначение БСЕРБ относится к переменным типа ё Цефея с амплитудами меньше 0т.5 V (0т.7 В) и почти симметричными кривыми блеска ((М — т) « 0Р.4 — 0Р.5); эти звезды, возможно, пульсируют в первом обертоне и/или впервые проходят полосу нестабильности после ухода с главной последовательности.

В ОКПЗ (1985) обозначено 813 цефеид Галактики, из которых 173 относятся к сферической составляющей (С"\У), а 473 являются классическими цефеидами.

П.П. Паренаго (1932), перечисляя первоочередные проблемы изучения переменных звезд, в числе других для цефеид отметил проблему исследования изменяемости периодов цефеид и изменения формы их кривых блеска в зависимости от периода, а также проблему спектроскопического исследования цефеид с большими инструментами. "Однако,- заключает он, - для этой цели необходим инструмент достаточно мощный, так что в нашем Союзе эта работа может быть под силу разве только симеизскому метровому рефлектору. Кроме того, громадное значение имеет наблюдение лучевых скоростей цефеид. Подобного рода работу мог бы безусловно нести симеизский рефлектор".

Все эти проблемы в исследовании цефеид остаются актуальными до сих пор. Упомянутый выше 1-м рефлектор, установленный в 1926 г. в Симеизской обсерватории, сыграл большую роль в астрофизических исследованиях, проведенных до войны. На этом инструменте академик Г.А. Шайн и проф. В.А. Альбицкий выполнили ряд уникальных исследований, в частности, провели работу по определению лучевых скоростей звезд. Волею судеб 1-м симеизский рефлектор был утрачен во время Великой отечественной войны. А в 1988 г. в Симеизе вступил в строй новый 1-м телескоп "Цейсс-1000", сыгравший ключевую роль в нашем исследовании именно лучевых скоростей цефеид. Результаты многолетних наблюдений лучевых скоростей цефеид представлены в данной работе.

В настоящее время спектральные исследования цефеид являются одной из актуальнейших проблем наблюдательной астрономии в свете

тех классических задач звездной астрономии и астрофизики, которые позволяют решать высокоточные лучевые скорости большого числа цефеид. Это прежде всего изучение кинематики и строения Галактики и ее подсистем, определение таких важнейших наблюдательных характеристик как расстояние от Солнца до центра Галактики, скорость вращения диска, форма кривой вращения. Велика роль лучевых скоростей цефеид в исследовании процессов, происходящих в атмосферах пульсирующих переменных. Наряду с данными фотометрических измерений для определения радиусов цефеид необходим надежный наблюдательный материал по лучевым скоростям с целью получения достаточно надежных оценок масс и светимостей этих звезд. Кроме того, на лучевых скоростях цефеид в значительной степени основываются важнейшие выводы об эволюционном статусе этих звезд; лучевые скорости являются наблюдательным критерием двойственности цефеид. Наконец, в последние годы цефеиды активно использовались в качестве критерия правильности теории звездной эволюции.

За последние два десятилетия объем данных по лучевым скоростям звезд многократно увеличился благодаря появлению эффективных корреляционных методов, позволяющих получать массовые высокоточные оценки Уг. Быстрый прогресс наблюдательных и теоретических исследований цефеид выдвинул на первое место задачу детального анализа их лучевых скоростей. Это связано, во-первых, с пульсационной переменностью этих звезд, а во-вторых, с выявлением среди цефеид спектрально-двойных систем, доля которых, по оценкам разных авторов, колеблется от 20% (Мермийо, Майор, 1992) до более 50% (Сабадош, 1988, 1995). Речь идет о спектрально выделяемых спектрально-двойных звездах. В действительности доля двойных больше. Все это говорит о непреходящей ценности, которую, наряду с точной фотометрией, имеют высокоточные массовые измерения лучевых скоростей цефеид.

Таким образом, одной из задач, поставленных перед автором данной диссертационной работы, было получение длительных рядов наблюдений высокоточных лучевых скоростей как можно большего числа цефеид с плотным покрытием кривой Уг в каждом сезоне наблюдений. Использование корреляционного спектрометра - измерителя

лучевых скоростей (ИЛС) конструкции A.A. Токовинина обеспечивает массовое получение лучевых скоростей, сравнимых по точности с лучшими мировыми стандартами.

Вторая задача данной работы состоит в использовании полученого наблюдательного материала для решения следующих проблем:

1) исследование форм кривых изменения лучевых скоростей цефеид с последующим сравнением их с кривыми блеска цефеид;

2) определение высокоточных средних скоростей цефеид;

3) поиск и изучение спектрально-двойных цефеид, подтверждение (неподтверждение) двойственности цефеид и в первую очередь цефеид, заподозренных в двойственности Сабадошем (1988);

4) вычисление или уточнение орбитальных параметров спектрально-двойных цефеид;

5) изучение бимодальных цефеид.

6) Кроме того, массовые, высокоточные и, что весьма существенно, однородные наблюдения лучевых скоростей цефеид, обеспечивающие плотное покрытие кривых лучевых скоростей, предполагалось в дальнейшем использовать для массового вычисления радиусов классических цефеид методом Бааде -Весселинка.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Каталог оригинальных, высокоточных измерений лучевых скоростей 128 цефеид северного неба, выполненных в 1987-1998 гг. с помощью корреляционного спектрометра конструкции A.A. Токовинина (из 6000 измерений автором получено 2000 измерений).

2. Атлас кривых лучевых скоростей 101 цефеиды, не имеющий аналогов по широте охвата объектов, однородности и точности наблюдений, а также по степени покрытия кривых лучевых скоростей.

3. Впервые построенная "последовательность Герцшпрунга" по стандартным кривым лучевых скоростей 36 классических цефеид разных периодов. Результаты сопоставления кривых лучевых скоростей и кривых блеска, выявляющие особенности "последовательности Герцшпрунга" в лучевых скоростях. Зависимости от

длины периода для фазы вторичного минимума на кривой Vr , а также для асимметрии кривой лучевых скоростей.

4. Результаты определения средних скоростей 101 северных цефеид с точностью до 0.5 км/с.

5. Открытие по оригинальным данным о лучевых скоростях новых спектрально-двойных цефеид:

MW Cyg, VZ Cyg, BY Cas.

6. Определение орбитальных элементов 20 спектрально-двойных и заподозренных в двойственности цефеид.

7. Оценка частоты встречаемости двойных цефеид по результатам 12-летних наблюдений с корреляционным спектрометром: нижний предел ее составляет 22%.

Настоящее исследование ведется уже в течение 12 лет и в разное время результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на заседаниях семинара по звездной астрономии ГАИШ МГУ, астрофизического семинара и Ученого Совета ИНАСАН.

Результаты наших исследований были представлены в стендовых докладах на:

- Коллоквиуме MAC No. 155 в Кейптауне (ЮАР) в 1995 г.

- 2-м Европейском совещании Американской ассоциации наблюдателей переменных звезд в Сьоне (Швейцария) в мае 1997 г.,

- Объединенной дискуссии No. 24 на 23-й Генеральной ассамблее MAC в Киото в августе 1997 (Самусь, Горыня и др., 1998).

Содержание отдельных глав диссертации было отражено в докладах, представленных совместно с H.H. Самусем на семинарах в следующих обсерваториях и институтах:

АИ Чешской АН (Прага), ноябрь 1993 г., Кафедра астрономии Венского университета, июнь 1996 г., Тартуская обсерватория, октябрь 1996 г., Обсерватория Конколи (Будапешт), февраль 1997 г., Обсерватория Вроцлавского университета, июнь 1997 г.,

Обсерватория и планетарий Брно, февраль 1998 г.,

Йельский университет (отделение астрономии), июль 1998 г.

Результаты данной работы вошли в базу данных по переменным звездам ИНАСАН и ГАИШ, на основе которой под эгидой комиссии 27 Международного астрономического союза составляются каталоги переменных звезд. Наши измерения лучевых скоростей вошли в международную базу данных, ведущуюся во Франции, и широко цитируются.

Все результаты, изложенные в диссертации, полностью опубликованы в 19 работах.

Многие результаты, вошедшие в диссертацию, как это принято в современных наблюдательных исследованиях, опубликованы в работах коллектива авторов. Личный вклад автора диссертации в эти работы можно охарактеризовать следующим образом.

Автор принимала равноправное участие в постановке задачи и составлении программ наблюдений, принимала активное участие в самих наблюдениях (из 6000 оригинальных высокоточных измерений лучевых скоростей автором получено более 2000), при этом автор практически единолично выполняла всю первичную обработку полученных измерений лучевых скоростей цефеид.

Автору принадлежит основная роль в составлении каталогов лучевых скоростей цефеид, построении кривых Уг цефеид и создании на их основе атласа кривых лучевых скоростей 101 цефеиды северного неба. Автором была построена "последовательность Герцшпрунга" по лучевым скоростям цефеид.

Автору принадлежит равная доля участия в проведении основной массы расчетов средних лучевых скоростей более 100 цефеид и орбитальных элементов спектрально-двойных цефеид.

Автор принимала активное участие в анализе и интерпретации полученных результатов, а также в написании статей.

Глава I. ОБЗОР НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ В СВЯЗИ С ПОСТАНОВКОЙ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лучевые скорости цефеид являются одной из важнейших наблюдательных характеристик, дающей нам, наряду с фотометрией, ценнейшую информацию для решения многих звездноастрономических и астрофизических задач.

1.1. Начальный этап исследований лучевых скоростей цефеид с конца XIX в. до середины XX в.

Уже на ранних этапах исследования цефеид было установлено, что их блеск меняется весьма регулярным образом, но только в конце прошлого века наблюдаемые у этих звезд изменения блеска, цвета и спектра, сами по себе указывающие на происходящие в их атмосферах грандиозные процессы, сопровождаемые большими изменениями температуры, привлекли пристальное внимание исследователей и было открыто, что синхронно с блеском изменяется и лучевая скорость. Это было сделано в пионерской работе Белопольского (1894), который впервые сообщил об обнаруженном им периодическом изменении лучевой скорости 6 Сер в течение цикла изменений блеска, однако сделал ошибочный вывод, что найденные изменения скорости — проявление спектральной двойственности, а наблюдаемая переменность блеска цефеид — следствие двойственности (затменная переменность или осевое вращение звезды с неоднородной поверхностной яркостью, синхронное с орбитальным движением). Такая интерпретация была вполне естественна в то время, когда самыми популярными переменными звездами были затменные переменные. Тем не менее, H.A. Умов на защите диссертации Белопольского, основываясь на обнаруженном периодическом доплеровском смещении спектральных линий в атмосферах цефеид, предложил объяснить изменения лучевых скоростей этих звезд пульсациями.

В 1899г. К. Шварцшильд установил, что амплитуда изменения блеска цефеид в фотографических лучах значительно больше, чем в визуальных, что говорило о том, что переменность блеска звезды сопровождается изменениями ее температуры. Это естественно объяснялось гипотезой пульсации цефеид, высказанной вначале Риттером

в 1879 г., который теоретически рассмотрел радиальные пульсации однородной звезды, а уже затем Пламмером и Шепли (1914).

К началу нашего столетия было известно уже свыше тридцати цефеид и получены первые результаты, сыгравшие важную роль в понимании природы этих звезд. Были выдвинуты две альтернативные гипотезы "строения этих светил и происходящих физических изменений: гипотеза пульсаций (периодического сжатия и расширения звезды) и гипотеза, рассматривающая цефеиду как звезду в процессе деления. Обе эти гипотезы еще не могут быть предпочтены одна другой, поскольку полное объяснение всех особенностей изменения яркости этих звезд еще не может быть сделано, хотя весы критики в последнее время все более и более склоняются в пользу последней из них" (Селиванов, 1932).

Теория пульсаций звезд была детально разработана Эддингтоном (1919). Гипотеза цефеид как тесных двойных звезд, защищавшаяся Белопольским с конца прошлого века, встретилась с непреодолимыми трудностями; несостоятельной оказалась также и гипотеза Дж. Джин