Фотометрические и спектральные исследования катаклизмических переменных звезд с сильным и слабым магнитным полем

На правах рукописи

Зубарева Александра Михайловна Фотометрические и спектральные исследования катаклизмических переменных звезд с сильным и слабым магнитным полем Специальность 01.03.02 астрофизика и звездная астрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2011

Работа выполнена в отделе нестационарных звезд и звездной спектроскопии Инсти тута астрономии Российской академии наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук Самусь Николай Николаевич (Институт астрономии РАН)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Фабрика Сергей Николаевич (Специальная астрофизическая обсерватория РАН) кандидат физико-математических наук Катышева Наталья Андреевна (Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга)

Ведущая организация:

Уральский Государственный Университет

Защита диссертации состоится 2 июня 2011 года в 14:00 на заседании Диссертаци онного совета по астрономии Московского государственного университета им. М.В.

Ломоносова, шифр Д 501.001.86.

Адрес: 119992, Москва, Университетский проспект, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного астрономиче ского института им. П.К. Штернберга МГУ (Москва, Университетский проспект, 13).

Автореферат разослан 28 апреля 2011 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук С.О. Алексеев

Общая характеристика работы

Катаклизмические переменные звезды (CVs) представляют собой тесные двойные системы (ТДС) на поздней стадии эволюции, которые состоят из белого карлика, маломассивной звезды-донора, находящейся на главной последовательности, и аккреционного диска или аккреционных колонн, образованных веществом звезды-донора. Свое название эта группа объ ектов получила из-за того, что протекающие в них физические процессы приводят к катаклизмам.

Катаклизмические переменные подразделяются на две большие груп пы в зависимости от характеристик главного компонента системы – белого карлика. Если магнитное поле белого карлика невелико, веще ство красного карлика покидает полость Роша через внутреннюю точку Лагранжа L1 и образует вокруг белого карлика аккреционный диск. Та кие системы принято называть дисковыми. В случае, если магнитное поле главного компонента близко к 1 МГс, его магнитосфера будет столь велика, что аккреционный диск либо не формируется вообще (поляры), либо будет менее протяженным, чем у дисковых систем (промежуточные поляры).

Дисковые CVs типа SU UMa показывают два типа вспышек с ам плитудой от 3m до 8m. “Нормальные” вспышки обычно продолжаются несколько суток и повторяются более или менее регулярно через десятки суток. “Сверхвспышки” продолжаются не менее двух недель и разделе ны интервалами в десятки дней. Во время сверхвспышек у звезд типа SU UMa наблюдаются колебания блеска с амплитудой в десятые доли звездной величины, которые принято называть “сверхгорбами”.

Сверхгорбы называют положительными, если их период на несколь ко процентов превышает орбитальный период системы. Причиной их возникновения является приливно-тепловая неустойчивость. Тепловая неустойчивость запускает нормальные вспышки, которые уменьшают массу диска. Однако до следующей нормальной вспышки диск накапли вает больше вещества, чем успеет впоследствии сбросить на поверхность белого карлика. При достижении критического радиуса диск становится эксцентрическим из-за действия приливной неустойчивости. Возраста ющее приливное трение заставляет диск прецессировать в направлении орбитального движения. В результате блеск системы будет изменяться с периодом биений между орбитальным периодом системы и периодом прецессии аккреционного диска.

Отрицательные сверхгорбы, период которых на несколько процентов меньше орбитального периода системы, возникают в том случае, когда аккреционный диск в системе наклонен к плоскости орбиты. Линия узлов диска прецессирует в направлении, обратном орбитальному движению системы. Механизмы, ответственные за образование наклонных аккре ционных дисков, неизвестны до сих пор. В диссертации представлены результаты фотометрических и спектральных наблюдений катаклизми ческих переменных звезд различных типов, выполненных с 2005 по год.

Актуальность проблемы Исследования катаклизмических переменных звезд имеют большое зна чение для различных областей астрофизики. Эти системы дают воз можность детально изучать равновесные и неравновесные аккреционные диски, термоядерные взрывы на поверхности белых карликов (во время вспышек Новых звезд). Представления о процессах аккреции вещества, как дисковой, так и принимающей иные формы, позволяют разобрать ся в физике более экзотических объектов: рентгеновских двойных звезд, черных дыр и активных ядер галактик. Катаклизмические переменные представляют собой физические лаборатории, в которых вещество нахо дится в условиях, невоспроизводимых в земных лабораториях. Напря женность магнитного поля белых карликов в составе магнитных CVs превышает значение напряженности магнитного поля Земли в сотни ты сяч раз. Магнитное поле такой напряженности полностью определяет поведение вещества, поставляемого красным карликом. Двойственность катаклизмических переменных позволяет получить значения масс и ра диусов компонентов системы. Эти значения отличаются от параметров, свойственных одиночным белым и красным карликам, поскольку звезды в ТДС эволюционируют иначе, чем одиночные.

В рамках одной работы едва ли можно отразить все многообразие процессов, протекающих в CVs. Для исследования были выбраны звезды различных подтипов переменности, что позволило затронуть несколько наиболее актуальных аспектов физики катаклизмических переменных.

Только в 1995 году у одной из катаклизмических переменных звезд были обнаружены и положительные, и отрицательные сверхгорбы, то есть в ее аккреционном диске действуют несколько различных физиче ских процессов. К 2011 году достоверно известно всего четыре таких CVs, одна из которых, MT Dra, исследуется в этой работе.

К 2006 году было известно почти 90 поляров, однако наибольшее коли чество данных в различных спектральных диапазонах получено только для самой известной звезды этого типа, AM Her. Одна из глав данной ра боты посвящена поляру MT Dra, фотометрические наблюдения которого проводились в течение шести сезонов.

Среди большого количества малоизученных объектов, которые на основе анализа спектров, оценок показателей цвета или на основании рентгеновских данных отнесены к вероятным катаклизмическим пере менным, можно обнаружить очень необычные и интересные. У одной из таких звезд, NSV 25181, помимо изменений блеска, являющихся ти пичными для новоподобных звезд (фликеринг, переменность среднего за ночь блеска системы), были обнаружены периодичности, характер ные для нерадиальных пульсаций белых карликов (звезды типа ZZ Cet).

Комбинация переменности, отражающей процесс аккреции вещества в CVs, и нерадиальных пульсаций белого карлика является дополнитель ной возможностью получить ценную информацию о главных компонен тах систем методами астросейсмологии. К 2010 году достоверно известно всего 11 катаклизмических переменных, обладающих этими свойствами.

Перечисленные обстоятельства показывают, что изучение катаклиз мических переменных является актуальной проблемой современной аст рофизики.

Цель работы Целью работы является исследование процессов, протекающих в ката клизмических переменных звездах. Для достижения цели диссертацион ной работы решаются следующие задачи:

– фотометрия недостаточно изученных катаклизмических перемен ных звезд;

– поиск и анализ фотометрической переменности избранных CVs на раз личных временных масштабах;

– поиск периодичностей и выяснение их природы;

– получение и интерпретация спектральных наблюдений катаклизми ческих переменных звезд, представляющих наибольший астрофизи ческий интерес;

– сопоставление фотометрических и спектральных периодичностей, анализ причины их различия.

Научная новизна В ходе выполнения работы получен ряд новых результатов.

Впервые получен обширный ряд фотометрических наблюдений, в том числе и многоцветные наблюдения, поляра MT Dra. Выяснено, что ор битальный период системы не меняется на протяжении 17 лет, что не совсем характерно для катаклизмических переменных звезд.

Впервые получены детальные спектральные наблюдения MT Dra.

Обнаружена фотометрическая переменность блеска двух новоподоб ных звезд, одна из которых, по-видимому, содержит нерадиально пуль сирующий белый карлик. К 2010 году известно, что белые карлики пуль сируют в 11 катаклизмических переменных.

Подтверждено, что у звезды MN Dra типа SU UMa одновременно на блюдаются положительные и отрицательные сверхгорбы. Таким обра зом, она является только четвертой ТДС, аккреционный диск которой испытывает два различных типа прецессии во время сверхвспышек.

Научная и практическая значимость Результаты работы могут быть использованы при изучении звезд типа SU UMa, поляров и новоподобных звезд. Накопленный наблюдательный материал может быть полезен для уточнения теории катаклизмических переменных звезд. Особую значимость для построения моделей ТДС с аккреционными дисками имеют результаты наблюдений MN Dra, пока зывающей и положительные, и отрицательные сверхгорбы.

Основные результаты, выносимые на защиту:

– Для MT Dra впервые получены детальные фотометрические наблю дения. Подтвержден орбитальный период. Он остается неизменным на протяжении 17 лет, что редко наблюдается у катаклизмических переменных. По наблюдениям 2006 года выяснено, что переход в низкое состояние блеска происходит быстро: за одни сутки блеск MT Dra уменьшился на 1m. На основании анализа наблюдений за шесть лет отмечено, что переходы MT Dra из одного состояния блеска в другое происходят непериодически. Впервые получены многоцвет ные наблюдения MT Dra в различных состояниях блеска. Выделены три режима аккреции вещества на магнитные полюса белого кар лика. Амплитуда изменения лучевых скоростей близка к 1200 км/с.

Эквивалентные ширины линий меняются в широком диапазоне. На блюдаемая фотометрическая и спектральная переменность MT Dra в высоком состоянии блеска объясняется различными условиями ви димости аккреционных струй на разных фазах орбитального цикла.

– Для RX J1951.7+3716 впервые получены фотометрические наблюде m ния. Открыта переменность блеска с амплитудой 0. 8. Кривая блес ка типична для новоподобных катаклизмических переменных. Вы d d явлены возможные периодичности изменений блеска, 0. 628 и 0. 3879, связанные суточным сопряжением.

– В поле звезды RX J1951.7+3716 открыты пять затменных перемен ных звезд. Две из них – переменные типа W UMa (EW), три осталь ные звезды – переменные типа Per (EA).

– Для NSV 25181 впервые получены детальные фотометрические на m блюдения. Блеск системы изменяется на 0. 4. Кривая блеска типич на для новоподобных катаклизмических переменных. Обнаружена переменность блеска с периодами в 28.32 и 24.58 мин. Подобные колебания могут объясняться нерадиальными пульсациями белого карлика в тесной двойной системе (переменность типа ZZ Cet).

– Проведены обширные фотометрические наблюдения уникальной ка таклизмической переменной MN Dra – звезды типа SU UMa в из вестном “пробеле периодов”. Во время двух последовательных сверх вспышек, июля и сентября 2009 года, были обнаружены положи d тельные сверхгорбы с периодом 0. 105442. Период изменяется со скоростью 1.5 104 периода за период. Во время нормальных вспышек и в спокойном состоянии MN Dra блеск меняется с перио d m дом 0. 096046. Амплитуда этих колебаний достигает 1. 5 в спокойном m состоянии, а во время нормальных вспышек близка к 0. 3. Эта пере менность интерпретируется как отрицательные сверхгорбы. MN Dra является четвертой звездой типа SU UMa, у которой одновременно наблюдаются и положительные, и отрицательные сверхгорбы.

Основное содержание диссертации изложено в рабо тах:

1. Фотометрическое исследование поляра MT Dra в 2005 – 2009 го дах, А.М. Зубарева, Е.П. Павленко, М.В. Андреев, С.В. Антипин, Н.Н. Самусь, А.В. Сергеев, Астрономический журнал, 2011, 88, №3, 250– 2. MN Dra In-the-Gap Dwarf Nova With Negative Superhumps, E. Pav lenko, T. Kato, M. Andreev, A. Sklyanov, A. Zubareva, D. Samsonov, I. Voloshina, V. Metlov, S. Shugarov, N. Parakhin, A. Golovin, O. Anto niuk, 2010, AIP Conference Proceedings, 1273, 320– 3. Photometric Study of a Nova-Like Cataclysmic Variable Star NSV 25181, A.M. Zubareva, S.V. Antipin, Information Bulletin on Variable Stars, 2010, 4. Periodicities of a Nova-Like Cataclysmic Variable Star RX J1951.7+3716, A.M. Zubareva, S.V. Antipin, Information Bulletin on Variable Stars, 2011, 5. Optical Spectroscopy of MT Dra in 2006 and 2009, A.M. Zubareva, V.V. Shimansky, N.V. Borisov, A.V. Valeev, 2011, arXiv:1104.4413v 6. Фотометрическое исследование поляра RX J1846.9+5538, А.М. Зу барева, 2006, Физика Космоса: Труды 35-й Международной студен ческой научной конференции, Екатеринбург, стр. 7. Спектроскопия и многоцветная фотометрия поляра MT Dra (RX J1846.9+5538), А.М. Зубарева, 2007, Физика Космоса: Труды 36-й Международной студенческой научной конференции, Екатеринбург, стр. 8. Фотометрия MT Dra в 2008 году, А.М. Зубарева, С.В. Антипин, 2009, Физика космоса: Труды 38-й Международной студенческой на учной конференции, Екатеринбург, стр. 9. Four New Eclipsing Variable Stars, N.A. Virnina, S.V. Antipin, A.M. Zu bareva, Peremennye zvezdy Supplement, 2011, 11, Личный вклад автора Автором работы выполнена наибольшая часть фотометрических наблю дений (все наблюдения RX J1951.7+3716 и NSV 25181, около 90% на блюдений MT Dra, участие в кампании по исследованию MN Dra). Автор принимал участие в спектральных наблюдениях MT Dra в 2009 году. Все данные обработаны автором. Автор внес основной вклад в интерпрета цию результатов.

Апробация результатов Результаты представлены • на семинарах:

– отдела физики звезд и галактик НИИ КрАО (май 2007 года) – ИНАСАН (октябрь 2010) • на конференции молодых ученых ИНАСАН (октябрь 2009 года) • на международных конференциях:

– Физика космоса, Коуровка, Россия (2006, 2007, 2009 годы) – Interacting Binary Stars, Nauchny, Crimea (June 2008) – 17th European White Dwarf Workshop, Tbingen, Germany (August u 2010).

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 97 страниц, в ней содер жатся 40 рисунков, 6 таблиц, список цитируемой литературы включает в себя 65 наименований.

Содержание работы Во введении показана актуальность проблемы, а также сформулирова на цель исследования. Представлены основные результаты диссертации и положения, выносимые на защиту. Показаны их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен обзор свойств катаклизмических перемен ных с сильным и слабым магнитным полем. Особое внимание уделено полярам и дисковым тесным двойным системам типа SU UMa. Рассмот рены модели неустойчивостей диска, которые применяются для объяс нения наблюдательных данных о звездах этого типа. Кратко описаны особенности распределения катаклизмических переменных по орбиталь ным периодам и эволюционный путь тесных двойных систем, которые на данный момент находятся на стадии катаклизмических переменных звезд.

Вторая глава посвящена фотометрическим и спектральным исследо ваниям поляра MT Dra. У белого карлика в этой тесной двойной системе активны два магнитных полюса. Когда темп перетекания вещества в си стеме высок, активны оба магнитных полюса белого карлика. В такие моменты звезда находится в высоком состоянии блеска. На промежут ках времени, когда темп аккреции вещества низкий, активен только один магнитный полюс белого карлика. Соответственно, в такие моменты по ляр показывает низкое состояние блеска.

Точные значения таких параметров системы, как угол наклона и угол между осью магнитного диполя и осью вращения белого карлика, до сих пор неизвестны. Однако по форме кривых блеска и изменению лу чевых скоростей MT Dra имеет много общего с хорошо изученным по ляром ST LMi (например, Робертсон и др., 2008), за исключением того обстоятельства, что большую часть времени у ST LMi активен только один магнитный полюс.

В разделе 2.1 исследуется массив фотометрических наблюдений в по лосах, близких к BV R Джонсона и Кузинса. За шесть сезонов (с 2005 по 2010 годы) на семи телескопах обсерваторий России и Украины получе но более 5200 индивидуальных ПЗС-кадров. За время наблюдений поляр находился в различных состояниях блеска. Подтвержден орбитальный d период исследуемой тесной двойной системы, равный 0. 0893869, и его постоянство на протяжении 17 лет (по сравнению с периодом Шварца и др., 2002). Проводится анализ переменности MT Dra на интервале меся цев и лет. Было выяснено, что переходы MT Dra из высокого состояния блеска в низкое и обратно происходят не периодически. По наблюдениям октября 2006 года удалось установить, что переход в низкое состояние происходит за одни сутки. За несколько орбитальных циклов MT Dra стала слабее на 1m. Обсуждаются три режима аккреции вещества на магнитные полюса белого карлика.

В разделе 2.2 описываются спектральные наблюдения MT Dra. Дан ные были получены в марте 2006 года и октябре 2009 года на редукто ре светосилы и щелевом спектрографе SCORPIO 6-метрового телескопа БТА САО РАН. В общей сложности получено 34 спектра низкого раз решения, которые покрывают почти три орбитальных периода системы.

Спектры были получены, когда исследуемая переменная находилась в высоком состоянии блеска. Они являются характерными для спектров поляров и содержат линии серии Бальмера, нейтрального и ионизован ного гелия. Все линии в спектре эмиссионные, не наблюдается ника ких признаков вторичного компонента системы. Профили линий имеют сложную форму. Лучевые скорости вычислялись для центра тяжести ли ний. Амплитуда изменения лучевых скоростей, определенных по линиям водорода и ионизованного гелия, близка к 1200 км/с. Такие значения ско ростей характерны для газа, выпадающего в областях вблизи магнитных полюсов белого карлика. Формы кривых лучевых скоростей близки к си нусоиде. Учитывая, что в высоком состоянии блеска в системе активны два магнитных полюса, следовало ожидать, что на кривой лучевых ско ростей будут видны две волны за период. Вероятно, расстояние между линиями, которые формируются аккреционными колоннами, невелико, и оба компонента сливаются. Эквивалентные ширины линий меняются в широком диапазоне.

Фотометрические и спектральные наблюдения сопоставляются в раз деле 2.3. Фазы максимумов и минимумов кривой блеска и кривых луче вых скоростей отличаются приблизительно на 0.1 периода. Мы полагаем, что аккреционные колонны ориентированы таким образом, что макси мумы на кривой блеска приходятся на фазы, когда мы видим колонны “с торца”. Имеющийся наблюдательные данные удается объяснить, если ось вращения белого карлика и ось магнитного диполя поляра MT Dra ориентированы так же, как и у ST LMi.

Третья глава содержит в себе информацию о фотометрических на блюдениях двух малоизученных новоподобных звезд RX J1951.7+3716 и NSV 25181.

Раздел 3.1 посвящен звезде RX J1951.7+3716. В августе 2010 года на телескопе Цейс-600 Крымской лаборатории ГАИШ получено более индивидуальных ПЗС-кадров. На основе этих данных удалось сделать вывод о том, что объект принадлежит к новоподобным катаклизмиче ским переменным звездам. Было выявлено, что амплитуда изменения блеска различна в различные ночи. Кроме того, звезда показывала фли керинг: блеск изменяется на несколько десятых долей звездной величи ны на интервалах времени 10–15 мин. Спектральный период (Петерс и Торстенсен, 2005) по фотометрическим данным подтвердить не удалось.

Обсуждаются обнаруженные периодичности.

В разделе 3.2 описаны наблюдения NSV 25181, выполненные на теле скопе Цейс-600 Крымской лаборатории ГАИШ в августе 2010 года. В хо де анализа первых детальных фотометрических наблюдений (более ПЗС-кадров) было выявлено три типа изменения блеска. Во-первых, был обнаружен фликеринг. Во-вторых, средний за ночь блеск системы также оказался переменным. Эти особенности позволяют отнести NSV25181 к новоподобным катаклизмическим переменным звездам. В-третьих, были обнаружены периодичности в 28.32 и 24.58 мин. Значения периодов и амплитуды изменения блеска характерны для нерадиальных пульсаций белого карлика, наблюдаемых у звезд типа ZZ Cet. К 2010 году достовер но известно всего 11 катаклизмических переменных, обладающих этими свойствами (Скоди и др., 2010;

Аррас и др., 2006;

Генсике и др., 2006).

Раздел 3.3 включает в себя описание пяти новых переменных звезд, открытых в поле RX J1951.7+3716. Все обнаруженные звезды относятся к затменным переменным. Две из них – переменные типа W UMa (EW), три остальные звезды – переменные типа Per (EA).

В четвертой главе исследуется звезда MN Dra, пекулярная карлико вая новая типа SU UMa, находящаяся в известном “пробеле периодов”;

d период положительных сверхгорбов равен 2.53 ч (0. 105442). Наблюде ния проводились на четырех телескопах в рамках кампании с июля по ноябрь 2009 года. Во время двух последовательных сверхвспышек, июля и сентября 2009 года, были обнаружены положительные сверхгорбы. С помощью диаграммы OC проанализирована скорость изменения пери ода положительных сверхгорбов. Было установлено, что период сверх горбов уменьшается со скоростью 1.5 104 периода за период. Это значение хорошо согласуется со скоростями изменения периода, полу ченными для других сверхвспышек MN Dra (Като и др., 2009;

Павленко и др., 2010). Во время нормальных вспышек и в спокойном состоянии у MN Dra обнаружена переменность, которая интерпретируется как отри d цательные сверхгорбы с периодом 0. 096046. Амплитуда этих колебаний m достигает 1. 5 в спокойном состоянии, а во время нормальных вспышек m близка к 0. 3. На данный момент принято считать, что причиной возник новения отрицательных сверхгорбов является наклонный аккреционный диск, линия узлов которого прецессирует в направлении, противополож ном орбитальному движению системы. MN Dra является четвертой звез дой типа SU UMa, у которой одновременно наблюдаются и положитель ные, и отрицательные сверхгорбы (Харви и др., 1995, Олех и др., 2007, Олех и др., 2009).

В заключении приводятся результаты, выносимые на защиту.

Список литературы Аррас и др. (P. Arras, D.M. Townsley, L. Bildsten), Astrophys. J. 643, (2006) Генсике и др. (B.T. Gnsicke, P. Rodriguez-Gil, T.R. Marsh, et al.), a Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 365, 969 (2006) Като и др. (T. Kato, A. Imada, M. Uemura, et al.), Publ. of the Astron.

Soc. of Japan 61, 395 (2009) Олеx и др. (A. Olech, A. Rutkowski and A. Schwarzenberg-Czerny), Acta Astron. 57, 331 (2007) Олеx и др. (A. Olech, A. Rutkowski and A. Schwarzenberg-Czerny), Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 399, 465 (2009) Павленко и др. (E.P. Pavlenko, I.B. Voloshina, M.V. Andreev, et al.), Astron. Rep. 54, 6 (2010) Петерс и Торстенсен (C. Peters and J. Thorstensen), Publ. of the Astron.

Soc. of the Pacic 117, 1386 (2005) Робертсон и др. (J.W. Robertson, S.B. Howell, R.K. Honeycutt et al.

2008, Astron. J., 136, 1857) Скоди и др. (P. Szkody, A. Mukadam, B.T. Gnsicke, et al.), Astron. J.

a 710, 64 (2010) Харви и др. (D. Harvey, D.R. Skillman, J. Patterson and F.A. Ringwald), Publ. of the Astron. Soc. of the Pacic 107, 551 (1995) Шварц и др. (R. Schwarz, J. Greiner, G. H. Tovmassian, et al.), Astron.

and Astrophys. 392, 505 (2002)