Содержание CNO-элементов в атмосферах нормальных и пекулярных G-K гигантов тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БЕРДЮГИНА Светлана Владимировна

УДК 524.3-36

СОДЕРЖАНИЕ СИО-ЭЛЕМЕНТОВ В АТМОСФЕРАХ НОРМАЛЬНЫХ И ПЕКУЛЯРНЫХ

в-К ГИГАНТОВ.

Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена в Крымской Астрофизической Обсерватории.

Научный руководитель:

кандидат физ.-мат. наук И.С. Саванов

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат.наук И.М. Копылов кандидат физ.-мат. наук П.А. Денисенков

Ведущая организация:

Специальная Астрофизическая Обсерватория РАН

Защита диссертации состоится 1994 г. в

' ? часов минут на заседании специализированного совета Д.063.57.39 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургском государственном университете (199034, г. Санкч Петербург, Университетская наб., д. 7/9, геологический факультет, ауд. 88)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь специализированного совета > кандидат физико-математических наук

И.В. Петровская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Как известно, углерод, азот и кислород являются наиболее распространенными элементами после водорода и гелия. Для звезды, эволюционирующей вдоль ветви гигантов, стандартная теория звездной эволюции предсказывает вынос продуктов СК-цикла на ее поверхность в результате первого конвективного перемешивания вещества. При этом происходит значительное понижение содержания углерода 12С, сопровождающееся повышением содержания азота и изотопа углерода 13С. Основные теоретические выводы об изменении химического состава атмосфер гигантов качественно подтверждаются многими авторами. Тем не менее, имеются данные, противоречащие некоторым количественным оценкам, и кроме того, существуют группы гигантов с аномально высокими содержаниями изотопа 13С, лития, элементов э-процесса и др. Детальное изучение содержаний СГЮ-элементов в атмосферах таких гигантов позволяет, во-первых, установить их эволюционный статус, во-вторых, определить степень перемешивания вещества в их атмосферах и, в-третьих, оценить возможные отклонения от предсказаний стандартной теории звездной эволюции.

В диссертации на основе новых спектральных наблюдений исследовано содержание СГТО-элементов в атмосферах нормальных и различных типов пекулярных гигантов с целью определения стадии их эволюции и сопоставления наблюдаемых содержаний с теоретическими расчетами. Оказалось, что большинство исследованных гигантов имеют признаки начавшегося конвективного перемешивания вещества в их атмосферах, и обнаружились некоторые отклонения от предсказаний стандартной теории звездной эволюции.

Целью настоящего исследования является:

1. определение новой калибровки для определения ускорений силы тяжести ^ g для в-К гигантов,

2. получение новых свидетельств о дополнительном перемешивании в ядрах звезд на главной последовательности и в атмосферах звезд на стадии красного гиганта,

3. установление эволюционного статуса гигантов с высоким содержанием лития,

4. исследование содержания СГТО-элементов в атмосферах слабо бариевых гигантов и сравнение их с нормальными гигантами,

5. исследование главных компонент хромосферно-активны? двойных звезд в стадии красного гиганта и сравнение с нормальными гигантами.

Научная новизна.

В диссертации предложена методика определения ускорений силы тяжести ^ § для в-К гигантов и субгигантов, основанная на сопоставлении наблюдаемых эквивалентных ширин линий М§Н с рассчитанными с помощью моделей атмосфер. Точность величин ^ g составляет 0.2 -г 0.3 <1ех. Исследовано влияние различных параметров (микро- и макротурбулентность, метал личность, содержание магния) на профили вычисляемых линий радикала М^Н и на значения ^ g. Из анализа результатов для 46 звезд получена новая калибровка ^ § в 2зависимости от ^ Тэф, Му и [Ге/Н].

Установлено, что при подходе к ветви красных гигантов в атмосферах звезд III и IV классов светимости наблюдается существенно разное изменение величин отношений и 12С/13С. Понижение значений этих отношений, связанное с углублением конвективной оболочки в атмосферах звезд, происходит у субгигантов в соответствии с предсказаниями стан-

дартной теории звездной эволюции, а в случае гигантов — при более высоком значении эффективной температуры ~5500К. На основании этого сделан вывод, что в атмосферах звезд с lg L/Lq > 1 формирование конвективной оболочки начинается раньше, чем предсказывает стандартная теория. Кроме того, получены новые свидетельства о том, что на главной последовательности во внутренних слоях этих звезд умеренная турбулентная диффузия вызывает перераспеределение концентраций CNO-элементов. Результаты CNO-анализа подтверждают также гипотезу, что углубление конвективной оболочки в атмосферах звезд вызывает торможение их вращения при достижении значения эффективной температуры ~ 5500 К.

Из анализа содержаний CNO-элементов установлен эволюционный статус 9 гигантов с высоким содержанием лития. Средние значения отношений C/N ~ 1.5 и 12С/13С ~ 20 свидетельствуют о начавшемся в их атмосферах конвективном перемешивании. Часть из них, вероятно, находится в стадии горения гелия.

Определены содержания CNO-элементов в атмосферах 12 слабо бариевых звезд (для 10 звезд - впервые). При сравнении с нормальными гигантами выделена группа звезд с пониженным на 0.3 dex содержанием углерода и повышенным на 0.4 40.5 dex содержанием азота.

Анализ содержаний CNO-элементов в атмосферах 4 хромо-сферно - активных звезд показал их близость к классу маломассивных гигантов или субгигантов, испытавших конвективное перемешивание вещества в атмосфере, о чем свидетельствует повышенное содержание изотопа 13С и высокое значение отношения C/N.

При сравнении содержаний CNO- и s-элементов в атмосферах главных компонентов в системах хромосферно-активных двойных AY Cet и DR Dra со средними значениями содержаний нормальных, бариевых и слабо бариевых гигантов пока-

зало, что гигант в более тесной системе AY Cet имеет выраженную пекулярность, характерную для класса слабо бариевых звезд — дефицит металлов, умеренные избытки содержания углерода и s-элементов. В более широкой и долгопериоди-ческой системе DR Dra главный компонент имеет нормальные для красного гиганта или субгиганта содержания элементов.

Научная и практическая ценность.

Результаты исследования, представленные в диссертации имеют практическое значение. Обнаруженные отклонения от предсказаний стандартной теории звездной эволюции в атмосферах нормальных гигантов могут способствовать ее дальнейшему развитию.

Установленный эволюционный статус гигантов с высоким содержанием лития позволяет поставить задачу поиска механизмов обогащения литием их атмосфер на стадии гиганта.

Новая калибровка ускорений силы тяжести может использоваться в качестве дополнительного критерия при определении параметров атмосфер и исследовании химического состава гигантов и субгигантов спектральных классов G и К.

На защиту выносятся:

1. Методика определения ускорений силы тяжести из сопоставления наблюдаемых и рассчитанных с помощью моделей атмосфер эквивалентных ширин линий MgH для гигантов и субгигантов в диапазоне эффективных температур от 4000 К до 5500 К и lg g от 1.5 до 4.0 и новая калибровка lg g в зависимости от lg Тэф, Mv и [Fe/H].

2. Результаты определения содержания CNO-элементов в атмосферах 45 (новых 38) нормальных и пекулярных гигантов и субгигантов.

3. Вывод о более раннем, чем предсказывает стандартная теория, формировании конвективной оболочки в атмосферах

звезд со светимостью больше 10 Lq при подходе к ветви красных гигантов и о возможном присутствии в их недрах умеренной турбулентной диффузии на стадии главной последовательности.

4. Вывод о том, что исследованные гиганты с высоким содержанием лития находятся в стадии конвективного перемешивания и что три из них с высоким отношением C/N (>3) являются маломассивными гигантами, возможно испытавшими гелиевую вспышку.

5. Вывод, что в атмосферах половины из исследованных слабо бариевых звезд существуют признаки эффективного перемешивания (C/N=0.5). .

6. Вывод о том, что главный компонент хромосферно-активной двойной звезды с белым карликом в качестве второго компонента - AY Cet - является слабо бариевым гигантом.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на семинарах Лаборатории физики звезд и галактик Крымской астрофизической обсерватории (Научный, 1989-1994 гг.), на совещании рабочей группы "Звездные атмосферы" (Тыравере, 1991), на IV Зимней школе на Канарских островах (Тенериф, 1992), на коллоквиуме N 146 MAC (Копенгаген, 1993), на семинаре кафедры астрофизики Санкт-Петербургского Университета (Санкт-Петербург, 1994), на XXII Генеральной Ассамблее MAC (Гаага, 1994).

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы (121 название) и Приложения. Полный обьем 103 страницы машинописного текста, 29 рисунков, 17 таблиц, 8 страниц Приложения. Суммарный объем диссертации - 178 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность исследования содержаний С1Ч0-элементов в атмосферах гигантов и сформулированы основные задачи. Перечислены полученные новые результаты и рассмотрена их практическая ценность. Приведены положения, выносимые на защиту, и дано краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе описан используемый для исследований наблюдательный материал. В разделе 1 приводится краткая техническая характеристика спектрографа фокуса куде 2,6м телескопа Крымской Астрофизической Обсерватории и используемых приемников излучения (ПЗС-системы). В разделе 2 обсуждаются спектральные характеристики наблюдательного материала и методика его обработки. В третьем разделе приводятся основные сведения о 58 исследуемых звездах: номера по каталогам, спектральные классы, показатели цвета, значения параллаксов.

Вторая глава посвящена описанию расчета синтетических спектров и параметров молекулярных линий. Для расчетов синтетических спектров использовалась, в основном, методика, реализованная в программе Л. С. Любимкова ЗУЫТНЕЬ [ 1 ], применяемой в Крымской астрофизической обсерватории при анализе спектров звезд спектральных классов А-в. Но поскольку целью диссертации является изучение более холодных звезд, в эту методику были внесены некоторые изменения и дополнения (раздел 1), а именно: добавлены новые источники рассеяния и поглощения излучения в континууме (рэлеевское рассеяние на молекулах Нг, свободно-свободные переходы в поле отрицательных ионов Не- и Н~); изменена методика расчета концентраций частиц (помимо ионизационного равновесия атомов учтено также диссоциативное равновесие атомов и молекул); учтено влияние процессов макротурбулентности в атмосферах гигантов на профили наблюдаемых спектральных линий. В разделе 2 второй главы дано краткое

описание параметров атомных и молекулярных линий, используемых для определения содержаний элементов, а также блендирующих их линий. Для избранных колебательных полос четырех двухатомных молекул (С]У, СН, С2, М^Н) рассчитаны вращательные уровни энергии и силы осцилляторов переходов между этими уровнями.

В третьей главе описаны параметры атмосфер исследуемых звезд и методика определения ускорений силы тяжести по линиям М§Н. В разделе 1 по широкополосным показателям цвета определены значения эффективных температур Тэф для исследуемых звезд. При этом, в основном, использовалась калибровка Белла и Густафссона [ 2 ] Тэф(У-К), точность которой составляет ± 50 К. Во втором разделе для всех звезд тремя независимыми методами определены значения ускорений силы тяжести ^ g: из соотношения между ^ g и массой, светимостью и температурой звезды; из соотношения между ^ g и температурой, абсолютной звездной величиной и метал-личностью звезды из [ 3 ]; из сопоставления наблюдаемых и рассчитанных с помощью моделей атмосфер эквивалентных ширин линий М§Н. Показано, что точность определения значений ^ g по линиям М§Н составляет 0.2 0.3 <1ех и сравнима с точностью других современных методов. Из сопоставления значений ^ g(MgH) с абсолютными звездными величинами Му, эффективными температурами и металличностью [Ее/Н] исследуемых звезд получена новая калибровка ускорений силы тяжести для гигантов и субгигантов в диапазоне температур от 4000 К до 5500 К:

lg g = 8.00 ^ Тэф + 0.31 Му + 0.27 [Ге/Н] - 27.15

В четвертой главе описана методика определения содержаний С, О и 12С/13С в атмосферах виК гигантов (раздел 1), основы которой были заложены в работе Ламберта и Райса [ 4 ]. Приводятся характерные ошибки определения содержаний: для углерода 0.10 4- 0.15 <1ех, для азота 0.15 4- 0.20 с!ех,

для кислорода 0.05 -h 0.10 dex, для 12С/13С ± 3 при 12С/13С < 20 и ± 10 при 12С/13С > 30. Во втором разделе приводятся и обстоятельно обсуждаются результаты определения содержания CNO-элементов в атмосферах нормальных гигантов и субгигантов. При сравнении полученных результатов с теоретическими расчетами эволюции звезд сделан основной вывод о присутствии нестандартного перемешивания в ковективных оболочках гигантов, светимость которых превышает 10 L® . В третьем разделе данной главы определены содержания CNO-элементов в атмосферах 9 гигантов с аномально высоким содержанием лития (lg £ (Li) > 1.5), обнаруженных в обзоре Брауна и др. [ 5 ]. Из сравнения полученных содержаний с значениями для нормальных гигантов сделан вывод о том, что все исследованные литиевые гиганты испытали конвективное перемешивание вещества в их атмосферах. В четвертом разделе обсуждаются основные особенности и эволюционный статус бариевых и слабо бариевых гигантов, приводятся результаты определения содержаний CNO-элементов в атмосферах 12 слабо бариевых гигантов. При сравнении полученных результатов с нормальными гигантами выделена группа из 5 звезд с признаками эффективного перемешивания вещества в их атмосферах (C/N < 0.5). В пятом разделе определены содержания CNO- и s-элементов для двух хромосферно-активных гигантов, входящих в двойные системы с белым карликом AY Cet и DR Dra. Показано, что гигант в системе AY Cet является слабо бариевой звездой. Обнаружено также, что четыре хромосферно-активных гиганта, исследованных в диссертации, — AY Cet, DR Dra, Л And, ОР And — имеют повышенное значение отношения C/N > 3, что возможно свидетельствует о малой массе этих звезд: < 2Mq.

В Заключении приведены и кратко прокомментированы основные результаты, полученные в диссертации.

В Приложении приводятся списки вращательных линий избранных колебательных полос молекул CN, СН, Сг и MgH

с рассчитанными значениями сил осцилляторов и потенциалов возбуждения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Бердюгина C.B. Исследование атмосфер холодных гигантов на основе молекулярных спектров. Молекула CN. Изв. Крымск. астрофиз. обе. 1991. Т. 83. С. 102-108.

2. Бердюгина C.B., Саванов И.С. Определение параметров атмосфер красных гигантов. MgH как критерий светимости. Астрон. Журн. 1992. Т. 69. С. 829-841.

3. Бердюгина C.B. Содержание CNO-элементов в атмосферах нормальных и слабо бариевых G8-K3 гигантов. Письма в Астрон. Журн. 1993. Т. 19. С. 933-943.

4. Саванов И.С., Бердюгина C.B. Химический состав атмосферы активного гиганта A And. Письма в Астрон. Журн. 1994. Т. 20. С. 279-284.

5. Бердюгина C.B., Саванов И.С. Содержания С, N, О и 12С/13С в атмосферах гигантов с повышенным содержанием лития. Письма в Астрон. Журн. 1994. Т. 20. С. 740-745.

6. Бердюгина C.B. Содержание Li и элементов CNO-группы в атмосферах звезд, эволюционирующих к ветви красных гигантов. Письма в Астрон. Журн. 1994. Т. 20. С. 731-739.

7. Бердюгина C.B., Саванов И.С. Новая калибровка ускорений силы тяжести для G-K гигантов и субгигантов. Письма в Астрон. Журн. 1994. Т. 20. С.

8. Бердюгина C.B. Содержания CNO- и s-элемеитов в атмосферах хромосферно-активных двойных звезд AY Cet и DR Dra. Проверка гипотезы образования бариевых звезд. Письма в Астрон. Журн. 1994. Т. 20. С.

ЛИТЕРАТУРА

1. Любимков Л.С. О вычислении синтетических спектров звезд и Солнца. Изв. Крымск. астрофиз. обе. 1986. Т. 74.

С. 3-14.

2. Bell R.A., Gustafsson В. The effective temperatures and colours of G and К stars. Mon. Not. R. astr. Soc. 1989. V. 236. P. 653-708.

3. Kjaergaard P., Gustafsson В., Walker G.A.H., Hultqvist L. Carbon, nitrogen, and oxygen abundances in G8-K3 giant stars. Astron. Astrophys. 1982. V. 115. P. 145-163.

4. Lambert D.L., Ries L.M. Carbon, nitrogen, and oxygen abundances in G and К giants. Astrophys. J. 1981. V. 248.

P. 228-248.

5. Brown J.A., Sneden C., Lambert D.L., Dutchover E.

A search for lithium-rich giant stars. Astrophys. J. Suppl. Ser. 1989. V. 71. P. 293-322.