Пекулярных астрономических объектов по наблюдениям в южном полушарии
На правах рукописи
Родольфо Сальес
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕКУЛЯРНЫХ
АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПО
НАБЛЮДЕНИЯМ В ЮЖНОМ ПОЛУШАРИИ
01.03.02 – астрофизика и звездная астрономия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико – математических наук
Санкт-Петербург – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук, ГНЕДИН Юрий Николаевич
Официальные оппоненты:
ЛАРИОНОВ Валерий Михайлович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией наблюда тельной астрофизики математико-механического факультета Астрономичес кого института им. В.В.Соболева Санкт-Петербургского государственного университета СИЛАНТЬЕВ Николай Алексеевич, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории физики звезд Главной (Пулков ской) астрономической обсерватории Российской академии наук
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук
Защита диссертации состоится 18 января 2013 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 на базе Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук (ГАО РАН) по адресу 196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, дом
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН Автореферат разослан декабря 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Милецкий Евгений Викторович
Общая характеристика работы
В период с 1982 по 1990 гг., в соответствии с Соглашением между ака демиями наук СССР и Боливии, на территории республики Боливия работала Советская астрономическая экспедиция. С первых дней и до настоящего вре мени автор являлся официальным сотрудником экспедиции, выполняя все виды работ, в том числе и проведение наблюдений, как по астрометрическим, так и по астрофизическим программам. В данной работе представлено иссле дование избранных объектов южного неба, недоступных для наблюдений с территории России.
I. Актуальность темы диссертации.
Настоящая работа посвящена описанию и анализу результатов фотомет рических и поляриметрических наблюдений ряда астрономических объектов, выполненных в Боливийской экспедиции Академии наук СССР1 (Тариха). К числу исследованных объектов относятся классические и переменные звезды, а также сверхновая SN 1987А. Актуальность выполненных исследований со стоит в том, что данные фотометрических наблюдений звезд Южного полу шария включены в современные каталоги звездных объектов, а некоторые ре зультаты поляриметрических наблюдений сверхновой SN 1987А были полу чены впервые и были использованы в многочисленных работах, посвященных исследованию этого уникального астрономического события.
II. Цели работы.
Основной целью диссертационной работы является описание создания и организации работы Боливийской экспедиции АН СССР, представление ре зультатов наблюдений звезд Южного полушария, включая пекулярные Ве звезды, неправильные переменные звезды и сверхновую SN 1987А, вспых нувшую в Большом Магеллановом Облаке, которая была практически недос тупна для наблюдения на территории бывшего СССР.
Далее АН СССР.
В соответствии с общей целью исследования были поставлены следую щие конкретные задачи:
1. Организация системы наблюдений на телескопах Боливийской Экспеди ции АН СССР;
2. Выполнение спектрофотометрических наблюдений южных звезд для рас ширения каталогов, используемых в Российской Федерации для научных исследований и непосредственно для реализации программ космических исследований и обеспечении космических полетов;
3. Выполнение поляриметрических наблюдений и исследование особенно стей спектрального распределения и временной переменности поляриза ции излучения сверхновой SN 1987А;
4. Поляриметрическое исследование южных звезд ранних спектральных классов с околозвездными оболочками, включая классические и пекуляр ные Ве-звезды.
III. Научная новизна.
1. Создана новая южная наблюдательная станция России с целью наблюде ний астрономических объектов южного неба;
2. По результатам фотометрических и спектрофтометрических наблюдений получены новые данные для избранных звезд южного полушария, на ос новании которых составлены дополнения к уже существующим звездным каталогам.
3. Впервые получены спектральные распределения энергии для 47 звезд южного полушария в оптическом диапазоне.
4. Впервые получены спектрополяриметрические данные о сверхновой SN 1987А;
5. Впервые у ряда Ве-звезд обнаружена значительная переменность парамет ров поляризованного излучения, в том числе – необычный характер спек тральной переменности Ae/Be звезды Хербига HD 163296, который, веро ятно, связан с многокомпонентной природой поляризации этого объекта, когда каждый из компонентов показывает переменность на своей шкале времени.
IV. Степень достоверности полученных в диссертационной работе ре зультатов.
Основные результаты диссертации получены на основе профессионально выполненных наблюдений с использованием эффективных приемников излу чения. При анализе данных наблюдений использовались адекватные теорети ческие модели. Результаты работы сопоставлялись с результатами других ав торов.
V. Научная и практическая ценность данной диссертационной рабо ты.
Результаты, представленные в диссертации, напрямую использовались при исследовании южных астрономических объектов, как в действующей Бо ливийской экспедиции Российской АН, так и в других обсерваториях.
Результаты фотометрических и спектрофотометрических наблюдений звезд Южного неба были включены при составлении соответствующих ката логов, используемых как в научных, так и в прикладных целях.
Поляриметрические наблюдения южных Ве-звезд используются для по нимания механизмов генерации поляризованного излучения звезд с около звездными оболочками.
VI. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Создание Боливийской экспедиции АН СССР с целью исследования звезд Южного неба и организация систематических наблюдений экспедиции.
2. Результаты фотометрических и спектрофотометрических наблюдений звезд южного неба. Создание дополнительных каталогов звезд для вклю чения в международную базу данных.
3. Результаты спектрополяриметрических наблюдений Сверхновой 1987А, выполненные в период 1988 – 1989 гг. на 60-см телескопе Цейса Боливий ской экспедиции РАН с помощью спектрополяриметра ГАО АН Украины.
4. Анализ временного хода измеренных степени и позиционного угла собст венной поляризации излучения сверхновой SN 1987A позволил установить особенности поведения неосесимметричных флуктуаций электронной плотности во внешних слоях расширяющейся оболочки сверхновой.
5. В результате поляриметрических UBVR-наблюдений рентгеновской двой ной системы Vela Х-1, выполненных в Боливийской экспедиции АН СССР в 1989 г., впервые обнаружена нерегулярная поляриметрическая перемен ность излучения данного объекта. Установлено, что причиной изменений параметров поляризации является нестационарность режима аккреции и существование неоднородностей в аккрецирующем веществе.
6. Спектрополяриметрические исследования Ве-звезд позволили установить верхний предел на величину магнитного поля, равный нескольким сотням Гаусс.
VII. Апробация работы Основные результаты данной работы докладывались на международных и российских конференциях, в том числе на специальной сессии XXIV Гене ральной Ассамблеи Международного астрономического союза (Манчестер, Великобритания, 14–16 августа 2000 г), на региональных латиноамерикан ских конференциях в Аргентине, Венесуэле, Боливии.
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 статьях в научных журналах и изданиях (включая 1 электронный каталог), из которых 3 входят в перечень рецензируемых научных журналов и изданий.
Основные работы:
1. Ashley M. C. B., Straw S. M., Naumov V., Vidmatchenko A., Zalles R. F., Filippenko A. V., Seargent D., Garradd G.. Supernova 1987A in the Large Ma gellanic Cloud. // IAU Circular. – 1987– №4347. – P.1.
2. Vid'machenko A.P., Naumov V.A., Salles R. Observations of the SN 1987 A at Bolivia. // IAU Circular. – 1987. – No.1245. – P.4.
3. Vid'machenko A.P., Salles R. Supernova 1987 A en la Grand Nuble de Magellanas. // Universo. – 1987. – V.25, №12. – P.63–79.
4. Vid'machenko A.P., Salles R. UBVR photometry de la Supernova 1987 A.
// Universo.– 1988. – V.26, №6. – P.27–34.
5. Архаров А.А., Рубан Е.В., Новиков В.В., Ягудин Л.И., Пузакова Т.Ю., Сальес Р. Спектрофотометрические наблюдения южных звезд в диапазоне 320-730 нм. // Письма в Астрономический Журнал. – 2006. – Т.32, №8. – С.566–568.
6. Бескровная Н. Г., Гнедин Ю. Н., Киселев Н. Н., Погодин М. А., Розенбуш А. Э., Розенбуш В. К., Сальес Р. Ф. Поляриметрические исследования юж ных объектов ранних спектральных классов с околозвездными оболочка ми: Рентгеновская двойная Vela X-1. // Письма в Астрономический Жур нал. – 1992. – Т.18, №6. – С.509–518.
7. Розенбуш В. К., Розенбуш А. Э., Гнедин Ю. Н., Сальес Р. Ф., Масленни ков К. Л. Поляриметрические исследования южных объектов ранних спек тральных классов с околозвездными оболочками: Сверхновая звезда SN 1987А. // Письма в Астрономический Журнал. – 1992. – Т.18, №5. – С.409–420.
8. Archarov A. A., Novikov V. V., Rumyantsev K. V. et al. The Soviet-Bolivian Astronomical Observatory in Tarija, Plans and Some Results of Investigations.
// Revista mexicana de astronoma y astrofsica. – 1990. – V.21. – P. 667–668.
9. Polojentsev D. D., Zalles R. Astronomy research in Bolivia. // Astronomy for developing countries. Proceedings of a Special Session of the XXIV General Assembly of the International Astronomical Union held at the Victoria Univer sity of Manchester, Manchester, UK, 14-16 August 2000. Edited by Alan H.
Batten. – San Francisco: Astronomical Society of the Pacific. – 2001. – 230 p.
10. Архаров А.А., Рубан Е.В., Новиков В.В., Ягудин Л.И., Пузакова Т.Ю., Сальес Р. Spectroscopic observations of southern stars (Arkharov+, 2006). Vi zieR On-line Data Catalog: J/PAZh/32/ VIII. Личный вклад автора В процессе создания астрономической станции все работы, связанные с сооружением астрономических павильонов, установкой телескопов и их юс тировкой были выполнены при личном участии автора (работы 8,9). Резуль таты, изложенные в опубликованных по теме диссертации работах, получены на основе наблюдений, в которых автор принимал самое активное участие, особенно в периоды отсутствия российских астрономов (статьи 1-7). В обсу ждении результатов и их интерпретации роль автора была равнозначной с со авторами.
IX. Структура работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цити руемой литературы, содержащего 80 наименований, содержит 32 рисунка и таблиц. Общий объем диссертации 97 страниц.
Во Введении обосновывается актуальность работы, раскрываются цели и задачи проводимого исследования, научная новизна и научная и практиче ская ценность диссертации. В нем также сформулированы положения, выно симые на защиту, дан список работ, в которых опубликованы результаты ис следования, и указан личный вклад автора и апробация результатов.
В Главе 1 рассказывается о создании советской наблюдательной стан ции в южном полушарии вблизи г.Тариха. С первых дней работы экспедиции (1982 г) автор активно участвовал на всех этапах, связанных с организацией, строительством, установкой инструментов и проведением наблюдений. Про слеживается история росийско-боливийского сотрудничества в области ас трономии, начиная с обсерватории в Патакамая, и до создания наблюдатель ной станции в п. Санта-Ана на высоте более двух километров. Приводится описание технических характеристик телескопов и особенностей их монтажа (экспедиционный астрограф, два телескопа Цейсс-600 и телескоп АЗТ-7).
Также рассказывается об астрофизических (вкратце) и астрометрических про граммах наблюдений, проведенных с участием автора диссертации: создание каталога ярких звезд южного полушария, южного фотографического каталога «Фокат-Ю» и экваториального каталога ЭКАТ, а также астрометрические на блюдения кометы Галлея и определение точных координат сверхновой SN 1987А.
В остальных двух главах дано описание результатов астрофизических наблюдений: спектрофотометрии звезд южного полушария (Глава 2) и поля риметрического исследования объектов с околозвездными оболочками в юж ном полушарии (Глава 3). Каждая из глав завершается отдельным парагра фом, включающим в себя выводы.
В Главе 2 в параграфе 2.1 дано описание аппаратуры, методов обработки и результатов спектрофотометрических наблюдений 64 звезд в диапазоне – 730 нм. Для подавляющего числа звезд спектрофотометрические данные получены впервые;
только четыре общие звезды удалось найти в Чилийском каталоге, по которым было проведено сравнение в этом спектральном диапа зоне. В параграфе 2.2 главы приводится аналогичная информация, касаю щаяся наблюдений 62 звезд в ближнем инфракрасном диапазоне (0.5 – 1.1 мкм). Показано, что полученные данные хорошо согласуются с распреде лениями энергии звезд из Пулковского спектрофотометрического каталога.
Результаты представлены как в абсолютных энергетических единицах, так и в традиционной шкале звездных величин. Все данные хранятся в Пулковской базе данных.
В Главе 3 в параграфе 3.1 представлен анализ поляриметрического по ведения рентгеновской двойной системы Vela X-1.
В подпункте 3.1.1 рассказывается об истории исследования системы, приводятся ее основные характеристики. Информация о поляриметрических наблюдениях Vela X-1, взятых нами из литературы, дана в подпункте 3.1.2. В подпункте 3.1.3 описывается методика получения оптических поляриметри ческих данных (в полосах U, B, V и R). Вычисленная точность превышает среднеквадратичный разброс данных, что говорит о реальности наблюдаемых изменений поляризации.
Оказалось, что собственная поляризация системы имеет дополнительную компоненту, испытывающую медленные изменения с характерным временем в несколько лет и влияние которой особенно заметно в периоды неактивно сти звезды. В подпункте 3.1.4 приводится результаты анализа поведения этой компоненты. Ее происхождение может быть связано с околозвездным газом, который скапливается на периферии системы в результате общей потери мас сы.
Установлено, что во время сильной переменности форма спектрального распределения поляризации для параметра Стокса q остается прежней, но для параметра u кривая демонстрирует ярко выраженную зависимость от длины волны достаточно необычного вида: с глубоким минимумом в фильтре V. По добное поведение может быть следствием наложения постоянной межзвезд ной составляющей и нескольких компонент поляризации, возникающих в разных областях околозвездного газа в результате нестационарности режима аккреции. Нельзя исключить также и возможное влияние магнитного поля на спектр этих компонент.
Анализ периодической переменности поляризации Vela X-1, связанной с орбитальным вращением, приведен в подпункте 3.1.5. Выяснено, что доми нирующей компонентой этих изменений является электронное рассеяние, в то время как асимметрия рассеивающей области относительно орбитальной плоскости и ее экранирование компонентами системы дают незначительный вклад. Показано, что в системе Vela X-1 существует еще один вид переменно сти параметров поляризации с малым характерным временем порядка вре менного интервала между наблюдениями. Такая переменность может быть связана, например, с неоднородностью аккреционного потока.
В параграфе 3.2 даются результаты астрометрического, фотометрическо го и поляриметрического исследования сверхновой звезды SN 1987А.
Определение точных координат Сверхновой приведено в подпункте 3.2.1.
Первые фотометрические наблюдения Сверхновой SN 1987А (подпункт 3.2.2) показали, что возрастание ее блеска продолжалось во всем наблюдае мом диапазоне за время наблюдений. Очевидно, что подобный длительный рост блеска не может происходить без подкачки энергии от каких-то допол нительных источников.
В подпункте 3.2.3 приведена информация о поляриметрических исследо ваниях Сверхновой. Разными авторами использовались сильно отличающиеся друг от друга значения межзвездной поляризации в направлении Сверхновой.
Поэтому после анализа используемых ими величин мы вынуждены были взять среднее значение (подпункт 3.2.4). В том же подпункте рассказывается о методике наблюдений, получившейся точности и приводятся значения соб ственной поляризации Сверхновой, исправленной за межзвездное поглоще ние.
Анализ кривых поляризации представлен в подпункте 3.2.5.
Выяснено, что усредненные по группам близлежащих по времени точек параметры Стокса Сверхновой SN 1987А в наблюдаемый период весьма сла бо меняются со временем и в среднем для всего интервала наблюдений равны нулю. На фоне этого нулевого уровня в каждом из фильтров наблюдаются флуктуации в пределах ±1%. При этом во всех фильтрах (особенно в полосе V) присутствует ярко выраженная корреляция изменений q и u, что говорит о том, что изменения поляризации имеют внутренний характер (например, асферичность оболочки).
Показано также, что поляризованное излучение от Сверхновой состоит из двух компонентов: постоянного, определяющегося собственной поляриза цией, и квазипериодического переменного, связанного как с орбитальным вращением области, ответственной за возникновение поляризованного излу чения, так и с процессами томсоновского рассеяния на неосесимметричных флуктуациях электронной плотности во внешних слоях расширяющейся обо лочки.
В параграфе 3.3 представлены результаты поляриметрического исследо вания южных звезд ранних спектральных классов с околозвездными оболоч ками.
В подпункте 3.3.1 рассказывается о получении наблюдений (инструмен ты, методика, задачи) и дан список наиболее интересных объектов, поведение которых описывается в следующих подпунктах. Приведены главные резуль таты исследования: обнаружение значительной линейной поляризации прак тически у всех изученных звезд (кроме µ Cen) и отсутствие заметной круго вой поляризации у них. На основании этого факта сделан вывод о величине верхнего предела магнитного поля.
Подпункт 3.3.2 посвящен классической Ве-звезде Aqr. Выяснено, что ее линейная поляризация демонстрировала сильную переменность и по вели чине, и по направлению во всех фильтрах (U, B, V, R) во время всего периода наблюдений. При этом форма ее спектрального распределения оставалась по стоянной.
Сравнение с данными из литературы показало, что если зависимости, полученные по этим данным, имеют классический вид, характерный для Ве звезд, то поведение спектра поляризации, полученного из наших наблюдений 1989 года, имеет несколько иной характер. Это говорит о том, что распреде ление рассеивающего вещества в экваториальной плоскости в оболочке во круг звезды Aqr сильно меняется со временем. А значительная перемен ность угла поляризации, обнаруженная в наших наблюдениях, может быть связана с тем, что перераспределение околозвездного газа в оболочке про должалось и в этот наблюдательный период и уже не только в экваториаль ной плоскости, но и за ее пределами.
В подпункте 3.3.3 рассказывается о поведении линейной поляризации четырех классических Ве-звезд Cen, Cen, AX Mon и HD 28497 и приво дится сравнение с внешними данными.
Эти звезды демонстрируют схожее поведение. Форма их спектров поля ризации говорит о том, что единственным фактором, влияющим на изменение поляризации излучения, является форма околозвездной оболочки.
Значительная переменность параметров поляризации наблюдается толь ко у Cen. Эта переменность носит тот же характер, что и у звезды Aqr.
Сравнение с данными из литературы позволило сделать вывод, что изме нения поляризации, по крайней мере, у двух звезд (HD 28497 и Cen) связа но со структурными изменениями внутри оболочки вокруг звезды.
Исследование еще двух Ве-звезд (48 Lib и Eri) приводится в подпункте 3.3.4. Выяснено, что спектр поляризации 48 Lib имеет классическую для Ве звезд форму и неизменен во времени.
У Ве-звезды Eri, наряду с переменностью поляризации в целом наблю дается существенные вариации поляризации в длинноволновом конце спектра с характерным временем порядка дней. Подобное поведение можно объяс нить наличием магнитного поля: изменения поляризации могут возникать вследствие фарадеевского вращения плоскости поляризации. Сравнение с теоретическими кривыми показывает удовлетворительную сходимость и дает оценку величины магнитного поля – порядка 100 Гаусс.
Пункт 3.3.5 посвящен линейной поляризации пекулярных Вер-звезд:
Car, GG Car, HD 45677, HD 87643 и HD 163296. Сравнение полученных на ми спектров поляризации с внешними данными за другой наблюдательный период показало, что у всех этих звезд (кроме HD 87643) имеется многолет няя переменность.
Оказалось, что у Car переменность наблюдается как в величине поля ризации, так и в ее направлении. Такой характер изменений, скорее всего, связан с изменениями свойств частиц пыли и ее пространственного распреде ления.
Для HD 45677 наблюдается такое же поведение поляризации. Однако форма ее спектра несколько иная – наблюдается монотонный рост поляриза ции в длинноволновую сторону. По-видимому, эта форма обязана существо ванию множества компонентов с максимумами поляризации на разных дли нах волн.
Полученные спектральные распределения поляризации HD 163296 де монстрируют необычный характер, не объяснимый с точки зрения принятых моделей. Величина поляризации изменяется исключительно в длинноволно вом конце спектра, а угол – исключительно в коротковолновом.
За 20 лет, прошедших со времени этих первых поляриметрических на блюдений HD 163296, было получено много новой информации об этом объ екте. Окончательно установлено, что он является молодой Ае/Ве звездой Хербига, окруженной протяженным газо-пылевым реликтовым диском, ори ентированным под промежуточным углом относительно луча зрения и, соот ветственно, являющимся отдельным источником линейной поляризации [1].
Были также обнаружены локальные образования в газовой оболочке типа струй и конденсаций плотности, которые показывают присутствие магнитно го поля порядка 100 гаусс [2]. Эти образования безусловно должны влиять на поляризационные параметры объекта и быть переменными во времени.
В Заключении даются основные выводы, полученные в ходе работы ав тора в Боливийской экспедиции ГАО АН СССР.
Список литературы [1] Van Den Aneker M.E., de Winter D., Tjin A Djie H.R.E. HIPPARCOS pho tometry of Herbig Ae/Be stars // Astronomy & Astrophysics. – 1998. – V. 330. – P.
145–154.
[2] Beskrovnaya N.G., Pogodin M.A., Yudin R.V., Franco G.A.P., Vieira S.L.A., Evans A. Cyclic phenomena in the circumstellar gaseous envelope of the candidate Herbig A0e star HD163296 // Astronomy & Astrophysics Supplement. – 1998. – V.
127. – P. 243–249.