Спектроскопическое исследование пульсирующих звезд типа W VIR тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ РАН

Р Г Б О А На правах рукописи

-9 ОКТ ОТ

ГАЛАЗУТДИНОВ Газинур Анварович

УДК 524.33; 524-352 52-161-17; 520-88

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ЗВЕЗД ТИПА W VIR

01.03.02 Астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыз -1995

Работа выполнена в Государственном научном центре Специальная астрофизическая обсерватория РАН

Научный руководитель - доктор физ.-мат. наук Клочкова В.Г. Официальные оппоненты:

академик АН Татарстана, доктор физ.-мат.наук Сахибуллин H.A.,

Казанский ГУ кандидат физ.-мат. наук Мишенина Т.В.,

АО Одесского ГУ

Ведущая организация: ГАО HAH Украины

Защита состоится ЫЦ ¿ГрЯ 199¿г в j/ç94acoB на заседании специализированного совета при ГНЦ Специальная астрофизическая обсерватория РАН по адресу:

357147, Карачаево-Черкесская республика, Зеленчукский район, пос. Нижний Архыз.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ CAO РАН

Автореферат разослан "К" СЬиДJifjiJi 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. физ.-мат. наук Майорова Е.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Звезды, находящиеся на эволюционной стадии асимптотической ветви гигантов (AGB) и смежных с ней вызывают неизменный интерес у исследователей по нескольким причинам. Через эту стадию проходят все звезды умеренных масс (1-8 солнечных масс), что составляет большую часта всех звезд. Изучение химического состава звезд AGB и его сравнение с составом непроэволюционировавших звезд дает возможность судить о ядерных реакциях, протекающих в недрах звезд, служит критерием теоретических моделей звездной эволюции. Особенно привлекательно изучение проэволюционировавших звезд, находящихся в полосе нестабильности, поскольку в этом случае можно привлечь хорошо развитые фотометрические методы и дополнительные аналитические возможности - теорию пульсаций. Важно исследовать связь пульсаций с перемешиванием, выносяпщм в атмосферу продукты ядерного синтеза.

Вывод о том, что звезды типа W Vir (далее "виргиниды") являются объектами на эволюционных стадиях после горизонтальной ветви (т.е. идущими на асимптотическую ветвь гигантов или уходящими с AGB (Уоллерштейн и Кокс, 1984)), явился стимулом для включения виргинид в программу спектроскопического исследования звезд на поздних эволюционных стадиях, выполняемую в течение ряда лет на 6-м телескопе. Теоретические расчеты эволюции звезд на стадиях горизонтальной ветви и после нее (Гинголд, 1976, 1985), а также положение виргинид на диаграмме Герцшпрунга-Рессела, их физические характеристики и оценки химического состава приводят к предположению, что, среди виргинид есть как объекты, еще не достигшие AGB (звезды типа BL Her), так и прошедшие эту стадию (звезды типа W Vir). Окончательный ответ на вопрос об эволюционном статусе может быть получен путем изучения химического состава этих звезд. Поэтому детальное спектроскопическое исследование виргинид, выполненное с адекватным спектральным разрешением и высокой спектрофотометрической точностью, является актуальным.

Спектроскопическое исследование химического состава виргинид с целью обнаружения эволюционных изменений химического состава возможно только в случае сравнения с химическим составом выборок звезд, находящихся на соседних стадиях эволюции. Прямым решением задачи может быть только спектроскопия звезд в составе шаровых скоплений, химический состав которых изучен на ветви гигантов. Однако в шаровых скоплениях пульсирующие переменные типа W Vir малочисленны и слабы, что не позволяет в настоящее время получать спектры с отношением сигнал/шум и разрешением, необходимыми для анализа методом моделей атмосфер.

Ввиду того, что в настоящий период атмосферы пульсирующих звезд исследуются с использованием сеток моделей атмосфер, рассчитанных в гидростатическом приближении, следует изучить устойчивость результатов определения химического состава избранных звезд на различных фазах фотометрической кривой. Исследование динамики атмосфер избранных виргинид полезно также и для оценки эффективности процесса взаимодействия атмосфер с околозвездным веществом. Отдельный интерес представляет накопление информации о высвечивании высокотемпературной области за фронтом ударной волны. Отсюда.следует, что по крайней мере несколько объектов необходимо исследовать на разных фазах фотометрической кривой.

Целью настоящей работы является существенное расширение спектроскопической информации об атмосферах пульсирующих звезд, обозначенных в Общем Каталоге Переменных.Звезд (ОКПЗ, Холопов и др., 1985) как объекты типа W Vir. К сожалению, только несколько виргинид имеют видимый блеск ярче 10 звездной величины, поэтому задача исследования химического состава атмосфер виргинид стала разрешимой лишь с появлением на 6-м телескопе эшелле-спектрометров, оснащенных матрицами ПЗС (Панчук и др., 1993). Обработка полученного наблюдательного материала выполнена с помощью математического обеспечения,

• .

специально разработанного для эшелпе-спектрометров 6-м телескопа (Клочкова, Галазутдинов, 1991; Галазутдинов 1992а,б). Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На б-м телескопе с применением эшелле-спектрометра, оснащенного матрицей ПЗС, получено 50 спектров высокого разрешения для 9 звезд типа W Vir и подтипа BL Her. Для трех звезд выполнена детальная спектроскопия по фазам фотометрической кривой. Такая выборка спектрограмм получена впервые.

2. Разработан метод редукции эшелле-изображений и спектров, реализованный на ПЭВМ класса AT. Кроме решения задачи спектроскопического исследования виргинид, это обеспечило возможность обработки материала, получаемого на БТА, широким кругом спектроскопистов.

3. Составлен каталог эквивалентных ширин около 200 линий, измеренных в спектрах 9 виргинид. Измерены лучевые скорости объектов с точностью не хуже 2 км/сек.

4. Методом моделей атмосфер получены фундаментальные параметры звезд и определено содержание 25 химических элементов в их атмосферах. На основании исследования химического состава сделан вывод о неоднородности исследуемой выборки звезд.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- высоким спектральным разрешением и отношением сигнал/шум полученных спектров, что обеспечило однозначное измерение параметров спектральных линий;

- совпадением результатов измерения спектров звезд-стандартов с уже опубликованными списками линий;

- контрольными расчетами методом моделей атмосфер, выполненными для хорошо изученных ярких звезд.

Практическую ценность представляют прежде всего: а) полученные на 6-м телескопе БТА спектральные данные, на основании которых могут быть выполнены детальные исследования динамики атмосфер виргинид в зависимости от фазы;

б) комплекс программ, которые внедрены в CAO и используются исследовательскими группами в других научных учреждениях;

в) практическую ценность составляет также весь цикл методики наблюдений на эшелле-спектрометрах, оснащенных матрицами ПЗС, становление которой происходило в значительной степени при выполнении данной работы;

г) информация о химическом составе одного из наиболее труднодоступных для изучения типов переменных звезд. Эти данные в совокупности с фундаментальными параметрами атмосфер виргинид важны для разработки теории эволюции звезд на поздних стадиях.

На защиту выносятся:

1. Результаты спектральных наблюдений 9 звезд типа W Vir (эквивалентные ширины линий и лучевые скорости);

2. Результаты определения параметров атмосфер (эффективные температуры, ускорения силы тяжести, микротурбулентные скорости) и содержания 25 химических элементов (от С до Eu) для всех исследованных звезд. Вывод о несоответствии наблюдаемых содержаний элементов CNO группы и тяжелых элементов с предсказаниями теории эволюции маломассивных звезд на стадиях вблизи асимптотической ветви гигантов;

3. Результаты сравнения различных методов определения абсолютных величин виргинид и вывод об удовлетворительной согласованности этих методов;

4. Вывод о вероятной неоднородности совокупности объектов, обозначенных в ОКПЗ как виргиниды (реально эта совокупность содержит три типа звезд: классические цефеиды с химическим составом, близким к солнечному; звезды типов W Vir и BL Her);

Апробация работы

Результаты работы докладывались на совещаниях рабочей группы "Звездные атмосферы", п. Н.Архыз (1992), г. Одесса (1993); астрофизических семинарах и конкурсах научных работ CAO РАН; астрофизическом

семинаре университета г. Торунь (Польша) и были представлены на со-4

вещаниях рабочих групп "Атмосферы звезд ранних типов" г.Киль (1991), "Звездные атмосферы" г.Киев (1994).

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях. В совместных публикациях участие автора равноправное.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и Приложения. Общий объем диссертации 158 страниц, е том числе 27 рисунков, 17 таблиц. Библиография содержит 140 наименований. Приложение - 48 страниц.

Содержание работы

Во Введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы цель, новизна и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор исследований виргинйд. Рассмотрены их некоторые характеристики и местоположение виргинид среди пульсирующих звезд спектральных классов F-K. Рассмотрен вопрос эволюционной стадии виргинид. Описана схема классификации. Приведены основные результаты по исследованию химического состава атмосфер, поведения спектральных линий с изменением фотометрической фазы. Рассматриваются также результаты фотометрических определений металлич-ности виргинид.

По результатам опубликованных исследований химического состава и металличности виргинид сделан вывод о том, что методические различия определений металличности в некоторых случаях достигают значительной величины (до одного порядка). Причиной этого, очевидно, является несовершенство фотометрических методов в применении к данному типу звезд. Так как на сегодняшний день по спектрам, с высокой дисперсией и с применением метода моделей атмосфер исследовано лишь 4-5 виргинид, причем определения содержаний элементов CNO отсутствуют вовсе - дополнительные исследования химического состава атмосфер, параметров атмосфер, светимостей и других характеристик виргинид крайне необходимы.

Вторая глава посвящена методике получения и редукции наблюдательного материала. Спектры получены соискателем совместно с В.Г.Клочковой и В.Е.Панчуком на эшелле-спектрометре РЫСЬ 6-м телескопа, оснащенном матрицей ПЗС. Диапазоны длин волн 5100-7200ÄÄ и 5500-8800ÄÄ при спектральном разрешении R~25000. Благодаря регистрации спектров виргинид в ближнем ИК-диапазоне, стали доступны определения содержаний элементов CNO-группы. Приведена оптическая схема спектрометра и основные параметры прибора. Использование матриц ПЗС в наблюдениях потребовало создания специализированной системы обработки эшелле-изображений и спектров, ориентированной на персональный компьютер. Следует подчеркнуть, что к моменту начала представленной работы в стране отсутствовала возможность обработки двумерных эшелле-спектров высокого разрешения. В данной главе кратко описаны методы и алгоритмы, используемые в созданном комплексе программ. Рассмотрены различные этапы обработки и приведены примеры результатов. Показано, что методика обеспечивает точность, необходимую для прецизионных измерений эквивалентных ширин и лучевых скоростей.

В третьей главе диссертации приведены результаты исследования химического состава атмосфер виргинид. С целью достижения высокой точности определения химсостава использовались только те спектры, где отношение сигнал/шум составило не менее 50. Рассмотрена методика определения параметров атмосфер и содержания химических элементов. Показано, что поведение линий различных ионов в спектрах виргинид невозможно описать с помощью единого значения параметра микротурбулентной скорости. Как правило, микротурбулентная скорость, определяемая по линиям ионов, в два раза выше определяемой по линиям нейтральных элементов. Это может являться проявлением стратификации атмосфер виргинид. На примерах ТХ Del и BL Her показана необходимость определения содержания элементов по линиям атомов и ионов с

различающимися значениями микротурбулентной скорости. Приведены 6

результаты расчетов содержания 25 химических элементов в атмосферах всех звезд программы, а также результаты определения параметров атмосфер. Основные характеристики исследованных звезд приведены в таблице.

Таблица. P(d) - период в днях, [s/Fe] - содержание элементов s-процесса (преимущество отдавалось более надежно определяемому содержанию бария, ? - неуверенно), Vr - лучевая скорость, определенная для фазы, указанной в скобках._

Звезда P(d) [Fe/Hj [C/Fe| [N/Fe| [Offe| fs/Fe| Vr(kmfe) тип

V351Cep 2.8 -.34 .25 .85 .17 -.3? -30 (0.30) CS:

BDCas 3.6 -.50 .39 .27 .65 -42(0.15) CS:

TXDel 6.2 -.16 -.16 .81 .33 -.5 3.5 (0.0) CS:

BLHer 1.3 -.35 .35 .19 .00 .4 -4.5 (0.94) CWB

SWtau 1.6 -.26 1.08 .57 .64 -.25? 31 (0.6) CWB

V572Aql 3.8 -.13 -.15 -.20 .6 50 (0.70) CWB:

IXCas 9.2 -.54 1.18 -.06 .6 -110(0.65) CWA

WVir 17.3 -1.30 .35 2.06 1.75 -.2 -83(0.1) CWA

ALVir 10.3 -.65 .48 1.09 -.10 .15 15 (0.7) CWA

Совокупность прлученных данных позволила рассмотреть вопрос об однородности изученной группы звезд. Показано, что лишь часть объектов программы может быть однозначно классифицирована как цефеиды второго типа населения (звезды типов BL Her и W Vir). Звезды V351 Сер, ТХ Del и BD Cas являются, вероятно, цефеидами 1-го типа населения.

Для трех звезд (BL Her, V351 Сер, BD Cas) исследованы спектры на различных фазах фотометрической кривой блеска. Показано, что для спектров, соответствующих наиболее активным пульсационным фазам (выходу ударной волны в атмосферу), не удается подобрать адекватную модель атмосферы, что приводит к искажению получаемой кривой распространенности химических элементов.

Измерения лучевых скоростей в спектрах, соответствующих "спокойным" (без раздвоения линий и эмиссии влиниях водорода) фазам не выявили статистически значимой зависимости лучевой скорости линии от потенциала возбуждения нижнего уровня.

По результатам исследования химического состава сделаны следующие выводы:

- наблюдаемые соотношения элементов ОЮ-группы не соответствуют теоретическим предсказаниям;

- ранее обнаруженная для звезд различного класса тенденция увеличения содержания четных элементов а-процесса с уменьшением металличности (Уиллер и др., 1989) для виргинид не обнаружена: среднее содержание элементов имеет широкий разброс, превышающий ошибки методики, и обусловленный вкладом от Тл и

- содержания Мд и А1 также мало изменяются с металличностью ([М^Ре]~+0.2), но в диапазоне -1.32< |ре/Н] <-0.13. Это согласуется с выводами Магейна (1939) о независимости величины [М^Ре]~Ю.5 от металличности в диапазоне -3.5<[Ре/Н]<-1.5, полученными для непроэво-люционировавших звезд гало;

- содержания А1 и Ыа не зависят от т.е. связь четных и нечетных элементов а-процесса не обнаружена;

- для всех звезд программы наблюдается слабый дефицит кальция (—0.20ёех). Однако следует учитывать, что, согласно Дрейку (1991), несущественные для звезд солнечного типа не-ЛТР поправки для линий кальция возрастают при уменьшении ^ и могут оказаться существенными для сверхгигантов, т.е. не исключено методическое происхождение наблюдаемого дефицита кальция;

- для всех звезд программы обнаружен избыток натрия. Отметим, что при получении этого результата мы не использовали линии и 02, эквивалентные ширины которых достигают 1А. Избыток натрия типичен для атмосфер звезд высокой светимости. Этот феномен, позволяющий говорить о выносе продуктов Ке-Ма цикла на поверхность, неоднократно анализировался в последние годы. Однако окончательного вывода о природе наблюдаемого избытка натрия пока нет, т.е. мы не можем однозначно утверждать, что он является проявлением выноса на поверхность звез-

8

ды вещества, химический состав которого изменился в ходе ядерной эволюции данной звезды.

- [Cr/Fe]~0 с высокой точностью (если не учитывать SW Tau ч AL Vir), т.е. содержание хрома полностью повторяет изменения мегалличности от

звезды к звезде;

- величины [Mn/Fe] и [Ni/Fe] показывают широкий разброс, превышающий методические ошибки.

Важнейшими индикаторами возраста и эволюционной стадии звезды являются металличность (в нашем случае [Fe/H]), содержание элементов CNO-группы и элементов, синтезируемых в s-процессг. Определения [Fe/H] звезд программы мы считаем достаточно достоверными благодаря, в первую очередь, хорошей статистике (в каждом спектре измерено, в среднем, более 100 линий Fe и Fe+). Широкий набор металЛичностей, получаемых как фотометрическим путем, так и спектроскопически, наблюдается как для цефеид 11-го типа населения, так и для родственных объектов типа RV Tau, а для звезд нашей программы [Fe/H] варьируется от -0.16 до-1.30.

Полученный нами для ряда звезд (SW Tau, W Vir, AL Vir) дефицит элементов ь-процесса согласуется с предшествующими определениями. Однако более ранние исследования звезд старого диска и гало показали, что звезды с [Fe/H]~-1 имеют [s/Fe]~0, а для звезд с [Fe/H]~-2.5 величина [s/Fe]—1.

Для объяснения различия в поведении [s/Fe] у различных типов звезд гало Лак и Бонд (1989) предположит!, что для лроэволюциониро-вавших звезд, возможно, наблюдается изменение содержания водорода. На стадии главной последовательности происходит превращение водорода в гелий, на более поздней стадии красного гиганта обогащенное гелием вещество может быть вынесено на поверхность.

Если перемешивание или потеря массы для проэволюциониро-вавших звезд существенны, то содержание водорода на поверхности звезды может быть понижено (возможно, это объясняет ослабленные линии

водорода в спектрах виргинид), что повлияет и на отношение [Fe/H], которое будет завышено относительно первоначального значения. Такой сценарий может объяснить несоответствие металличности и содержания элементов s-процесса для звезд типа W Vir. Для ряда звезд программы (BL Her, BD Cas, IX Cas) мы обнаружили избыток элементов s-процесса. Харрис (1984) и Лак и Бонд (1989) также отмечают такой избыток для виргинид AU Peg и V553Cen, который они предлагают объяснять двойственностью объектов. Однако для хорошо исследованной двойной системы ТХ Del выявлен дефицит элементов s-процесса. Очевидно, что для окончательного ответа на вопрос о реальности различий в соотношении [Fe/H] и [s/Fe], наблюдаемого для непроэволюционировавших и проэво-люционировавших звезд гало, необходимо изучение большего количества объектов с использованием более совершенного теоретического аппарата. В первую очередь, необходимы модели, учитывающие особенности протяженных нестабильных атмосфер виргинид. Проверке таких моделей послужат результаты детальной спектроскопии виргинид, выполненной для различных фаз фотометрической кривой.

В Заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

В Приложении приведены результаты измерений эквивалентных ширин в спектрах исследуемых звезд.

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:

1. Klochkova V.G., Galazutdinov G.A. "The spectra of blue stars in the globular clusters". Preprint SAO №71. 1991

2. Галазутдинов Г.А., Клочкова В.Г., Панчук B.E. "Спектроскопические и фотометрические определения металличности звезд 1-го типа населения". Известия CAO. 1991. Т.34. С.55

3. Klochkova V.G., Panchuk V.E., Galazutdinov G.A. "The spectra of blue

horizontal branch stars" In: Lecture Notes in Physics. Springer-Verlag. 1991.

P.247. 10

4. Галазутдинов Г.А. "Система обработки звездных эшелле-спектров. I. Обработка изображений". Препринт САО. №92. 1992а. С.2.

5. Галазутдинов Г.А. "Система обработки звездных эшелле-спектров. II. Обработка спектров". Препринт САО. №92.19926. С.27.

6. Панчук В.Е., Клочкова В.Г., Галазутдинов Г.А., Ченцов Е.Л., Рядченко В.П. "Эшелле-спектрометр с матрицей ПЗС для 6-м телескопа", Письма в Астрон. журн. 1993. Т.19. С.1013

7. Galazutdinov G.A., Klochkova V.G. "Spectroscopic investigation of anomalous variable У351 Сер". Astron. Astrophys. Trans. 1995. V.8. N.3

8. Галазутдинов Г.А. "Спектроскопическое исследование пульсирующей звезды ТХ Del". Письма в Астрон. журн. 1995. Т.21. С.516

9. Галазутдинов Г.А. "Спектроскопическое исследование пульсирующей звезды BL Her". Письма в Астрон. журн. /в печати/

ЛИТЕРАТУРА

Галазутдинов Г.А. II "Система обработки звездных эшелле-спектров. I. Обработка изображений". Препринт Спец. астрофиз. обсерв., 1992а, №92, С.2

Галазутдинов Г.А. // "Система обработки звездных эшелле-спектров. II. Обработка спектров", Препринт Спец. астрофиз. обсерв. 19926. №92. С.27

Гинголд (Gingold R.A.) // "The evolutionary status of population II Cepheids". Astrophys. J. 1976. V.204. P.116

Гинголд (Gingold R.A.) // "The evolutionary status of type II Cepheids". Mem. dellaSoc. Astron. Italiana. 1985. V.56. P.169

Дрейк (Drake J.J) // "A non-LTE study of neutral calcium in late-type stars with special reference to Pollux". Mon. Not. Roy. astron. Soc. 1991. V.251. P.369

Клочкова и Галазутдинов (Klochkova V.G., Galazutdinov G.A.) // "The spectra of blue stars in the globular clusters.", Preprint SAO, №71,1991

11

Лак и Бонд (Luck R.E. and Bond Н.Е.) // "s-process deficiencies in low mass supergiant variables". Astrophys. J. 1989. V.342. P.476

Магейн (Magain P.) // "The chemical composition of the extreme halo stars. I. Blue spectra of 20 dwarfs". Astron. Astrophys. 1989. V.209. P.211

Панчук B.E., Клочкова В.Г., Галазутдинов Г.А., Рядченко В.П., Ченцов E.JI. // 'Эшелле-спектрометр с матрицей ПЗС для 6-м телескопа". Письма в Астрон. журн. 1993. Т.19. С.1061.

Уиллер и др. (Wheller J.C., Sneden С., Truran J.WJr.) // "Abundance ratios as function of metallicity". Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1989. V.27. P.279

Уоллерстейн и Кокс (Wallerstein G., Cox A.N.) // "The population II cepheids". Publ. Astron. Soc. Pacif. 1984. V.96. P.677

Харрис (Harris H.C.) // "Kinematics of Field Type II Cepheid Variables". Astron. J. 1984. V.89. P.379

Холопов и др. (Kholopov P.N., Samus N.N., Frolov M.S., Goranskij V.P. et al.) // General Catalogue of Variable Stars. 1985. "Nauka". Moscow

Зак. № 339

Тирах- 100

Отпечатано в Ставропольской краевом комитете

государственной статистики г.Ставрополь. ул.Путсина.4 тел.24-18-24