Властивості акреційного потоку у магнітних тісних подвійних системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. І.І. МЕЧНИКОВА

УДК 523.8

Властивості акреційного потоку у магнітних тісних подвійних системах

Спеціальність: 01.03.02 - астрофізика, радіоастрономія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Халевін Олександр Вікторович

Одеса 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі астрономії Одеського державного університету ім. І. І. Мечникова Міністерства освіти та науки.

Захист відбудеться “ 5 ” жовтня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 41.051.04 з теоретичної фізики та астрофізики при Одеському державному університеті ім. І. І. Мечникова (65014, г. Одеса, вул. Дворянська, 2, ОДУ, Велика Фізична Аудиторія).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського університету (вул. Преображенська, 24).

Автореферат розісланий “ 4 ” вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фіз.-мат. наук В.І. Солошенко

поляр вибуховий магнітний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку теорії акреційних процесів велика увага приділяється особливому підкласу катаклізмічних змінних зірок, відмінною рисою якого є наявність сильного магнітного поля в основного компонента - білого карлика. Цей чинник корінним образом міняє характер процесів, що спостерігаються. Різноманітність ефектів у різних членів цього класу об'єктів істотно ускладнює інтерпретацію виникаючих в цих системах явищ.

Згідно з класичною моделлю, якщо білий карлик має сильне магнітне поле, поблизу нього існує область, де потік речовини контролюється силовими лініями цього поля і, отже, речовина вже не рухається по кеплерівських орбітах. Акреційний диск не може існувати всередині такої “магнітосфери”, розмір якої визначається т. з. альвенівським радіусом. Всередині цієї зони перенесення маси здійснюється в газовому струмені, котрий являє собою зігнуту трубку із зменшуючимся перерізом, яка веде від другої зірки до магнітних полюсів білого карлика. Системи, в яких акреційний потік виглядає таким чином, називаються системами типу AM Her, або полярами завдяки сильній поляризації видимого випромінювання.

Поляри (рис. 1), є природними лабораторіями, в яких можна дослідити поведінку речовини при температурах порядку декількох мільйонів градусів і напруженості магнітного поля до 250 мегагаус. Акреція речовини на магнітний білий карлик призводить до могутніх процесів енерговиділення, що охоплюють весь досліджений діапазон електромагнітного випромі-нювання. Складність просторової структури активних регіонів на поверхні білого карлика та її нестабільність визначаються нестаціонарними процесами, що протікають в потоці речовини, що акрецює, і на донорській зірці. Характерні часи таких процесів знаходяться в діапазоні від частки секунди до декількох хвилин.

У зірок типу АМ Her магнітне поле на поверхні білого карлика може досягати 2*108 Гс і моменти магнітних сил примушують білий карлик обертатися з періодом, який приблизно дорівнює періоду орбітального обертання в подвійній системі. На даний момент відомо тільки декілька систем, у яких не синхронізоване обертання білого карлика з обертанням усієї системи. Одним з таких об'єктів є BY Cam.

Найменше вивченою є та частина акреційного потоку, де речовина вже покинула околиці внутрішньої точки Лагранжа, але ще не досягла альвенівського радіуса, рухаючись по приблизно балістичній траєкторії. Вже на цьому етапі стає помітним вплив магнітного поля білого карлика. Окремі частини потоку взаємодіють з магнітним полем, і під впливом нестійкості Релея-Тейлора відбувається фрагментація речовини на окремі згустки. Магнітне поле взаємодіє із зовнішніми частинами потоку, фактично вже поблизу точки L1 починаючи контролювати їх рух, хоч основна частина потоку почне рухатися небалістичним чином набагато пізніше.

Для досить надійної інтерпретації явищ, що спостерігаються у кожного окремого об'єкта, необхідне проведення тривалого моніторинга, при якому вивчалася б фотометрична і поляриметрична поведінка полярів на різних характерних часах в різних кольорових діапазонах.

Дослідження швидкої змінності блиску полярів дозволяє нам визначити характеристики процесів, які в цей час дуже мало вивчені. Однак, для отримання необхідних результатів потрібні спостереження на могутніх телескопах з діаметром об'єктива порядку 1-2,5 метрів з часовим розділенням до 4-10 секунд, та застосування новітніх методів обробки результатів з використанням могутньої сучасної обчислювальної техніки. Подальша ж інтерпретація особливостей, що спостерігаються, вимагає побудови моделей протікаючих у полярах процесів, і узгодження їх з результатами спостережень.

Метою даної дисертації було:

- визначення параметрів швидкої аперіодичної змінності полярів, що виявляється як дробовий шум на кривих блиску;

- визначення параметрів вибухової змінності блиску у зірок цього типу;

- визначення частот квазіперіодичних осциляцій блиску магнітних катаклізмічних змінних зірок;

- визначення параметрів неоднорідності акреційного потоку, які викликають швидку змінність блиску;

- розрахунок моделей нестаціонарного акреційного потоку в магнітному полі і доказ зв'язку процесів, що моделюються, з їх виявами на кривих блиску полярів.

Для досягнення даної мети в роботі були виконані наступні задачі:

- отримані і оброблені з участю автора фотоелектричні і фотографічні спостереження змінності об'єктів, що вивчаються;

- створено комплекс пакетів програм обробки спостережень;

- проведене дослідження швидких процесів на кривих блиску з використанням новітніх методів аналізу часових рядів;

- розроблена теорія і створений пакет програм для моделювання фізичних властивостей нестаціонарного акреційного потоку.

Зв'язок з науковими програмами, планами та темами. Дослідження було проведене відповідно до планів держбюджетних тем № 689 “Теоретичне та статистичне моделювання перетікання речовини у затемнено-подвійних зірок” (1996-1998 рр.), № 729 "Періодичні та аперіодичні процеси в тісних подвійних та гігантських пульсуючих зірках" (1997-1999 рр.) та № 181 "Дослідження кінематики та фізики подвійних зірок" (2000 р.) Астрономічної обсерваторії Одеського державного університету Міністерства освіти та науки України.

Наукова новизна. Отримані нові результати, які складаються з:

- фотометричних і поляриметричних спостережень магнітних катаклізмічних змінних зірок;

- характеристик швидкої змінності об'єктів, що вивчаються;

- інтерпретації швидкої змінності полярів;

- моделей нестаціонарних процесів у полярах.

Наукова і практична цінність роботи. Результати мають фундаментальний характер і можуть бути використані для визначення різних властивостей нестаціонарних акреційних процесів в інших об'єктах цього типу.

Складений пакет програм для обробки спостережень, отриманих на одноканальному фотометрі-поляриметрі Дзеркального телескопа ім. ак. Шайна (Кримська астрофизічна обсерваторія), використовується іншими дослідниками.

Побудовані моделі з урахуванням ефектів нестаціонарності потоку можуть бути використані для моделювання швидкої фотометричної змінності полярів, а також для побудови теоретичних доплерівських томограм акреційного потоку.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на наступних міжнародних конференціях:

1. "Tsessevich Memorial Conference ", вересень 1993 року, Одеса, Україна;

2. Міжнародна конференція молодих вчених, квітень 1997 року, Київ, Україна;

3. "International Conference on Variable Star Research", листопад 1997 року, Брно, Чехія;

4. Міжнародна конференція "Змінні зірки", вересень 1997 року, Одеса, Україна;

5. Міжнародна конференція "The Universe of Gamow: Original Ideas in Astrophysics and Cosmology", серпень 1999, Одеса, Україна;

6. Міжнародна конференція молодих вчених, квітень 2000 року, Київ, Україна;

7. "Joint European and National Astronomical Meeting", червень 2000 року, Москва, Росія;

8. "Astronomy in Ukraine - 2000 and beyond: Impact of international cooperation", червень 2000 року, Київ, Україна.

Результати роботи також доповідалися на конференції професорсько-викладацького складу ОДУ, семінарах Астрономічної обсерваторії Одеського держуниверситету і Кримської астрофізичної обсерваторії.

Особистий внесок автора. Над підготовкою алгоритму програми отримання і обробки фотометричних і поляріметричних спостережень ДТШ працювали Н. М. Шаховський, І. Л. Андронов, С. В. Колесніков та автор роботи. Розробка програмного забезпечення зроблена повністю автором даної роботи. Використані в розділі 3 фотоелектричні спостереження полярів BY Cam, QQ Vul і AR UMa отримані Н. М. Шаховським, С. В. Колесніковим, Д. Н. Шаховським, І. Л. Ан-дроновим та автором даної роботи. Первинна обробка цих спостережень була проведена Н. М. Шаховським, С. В. Колесниковим та автором роботи. Аналіз швидкої змінності був проведений автором роботи спільно з І. Л. Андроновим. Фотознімки QQ Vul були отримані Н. Кимерідзе, І. Л. Андроновим, С. В. Колесніковим та Н. В. Поплавською і оброблені автором. Спостереження поляра MR Ser були отримані автором роботи спільно з Е. П. Павленко, Н. А. Швечковою, Н. А. Кецарісом і В. С. Петровим. Розробка методів і програмного забезпечення для обробки часових рядів належить І. Л. Андронову. Обробка рентгенівських спостережень AM Her і EF Eri проведена автором роботи спільно з Н. І. Островою.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, висновку, додатків, списку літератури з 175 найменувань обсягом 16 сторінок. Робота включає 136 сторінок тексту з 72 малюнками і 4 таблицями обсягом 23 сторінки і 6 додатків, всього 173 сторінки.

2. ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, позначені основні задачі роботи і представлено її короткий опис.

У розділі 1 даної дисертації викладений сучасний стан теорії магнітних катаклізмічних змінних. Описуються моделі акреційних колон, балістичного газового потоку, характеристики неоднорідної і нестаціонарної акреції, а також представлені найважливіші особливості спостережуваних виявів різних ефектів. Показані сучасні проблеми теорії процесів, що протікають у полярах і шляхи їх вирішення.

Метою розділу є компіляція і систематизація теоретичного і спостережуваного матеріалу, що є відомим по магнітних катаклізмічних змінних зірках, а також визначення актуальних стратегічних напрямків досліджень в області магнітних тісних подвійних систем.

Розділ 2 описує нові, використані в даній дисертації, методи отримання і обробки як фотометричної, так і поляриметричної інформації. Описані нові методи обробки спостережень кругової поляризації. Для фотометричного фону використаний алгоритм редукції фону в різних каналах для зменшення ефектів "розгойдання коливань" поляризації внаслідок малої статистики квантів для вимірів фону. При отриманні величин кругової поляризації уперше використаний метод обчислення ортогональної регресії, що дозволяє максимально ефективно використати результати спостережень. При обробці використовується алгоритм приведення моментів спостережень до барицентру Сонячної системи, який враховує еліпсоїдальність земної орбіти і інші вторинні ефекти. Весь процес обробки проводиться інтерактивним пакетом ZtshServer (рис. 2), написаним на мові Borland Pascal 7.0 (з використанням бібліотек Turbo Vision 2.0), що прискорило в сотні разів процес обробки спостережень. Також в розділі викладаються основні принципи методів аналізу часових рядів, використаних при обробці.

Метою розділу є опис методів обробки спостережуваного матеріалу, що використовується в дисертації.

У розділі 3 на основі даних 106 ночей спостережень загальним об'ємом в 60500 індивідуальних спостережень аналізуються закономірності фотометричної і поляриметричної поведінки полярів QQ Vul, BY Cam, AM Her, EF Eri, MR Ser і AR UMa.

На основі параметрів автоковаріаційних функцій уперше отримані різні характерні часи висвічення неоднорідності структури акреційного потоку в QQ Vul, BY Cam, AM Her і EF Eri. Для BY Cam максимум розподілу цієї величини спостерігається на 55 секундах, для QQ Vul - 25 секундах, AM Her - 50 сек, EF Eri - біля 60 секунд. Відкриття змін цих характерних часів протягом орбітального періоду свідчить про диференціацію розмірів акрецюючих згустків на поверхні білого карлика. Однак характер таких змін в більшості випадків вельми нерегулярний (рис. 3). Для більшості об'єктів була виявлена сильна кореляція між яскравістю системи і амплітудою дробового шуму. Цей факт свідчить про зв'язок джерел дробового шуму з основним акреційним регіоном на поверхні білого карлика. Єдина ніч спостережень AR UMa не виявила присутності дробового шуму, що може бути пов'язано як з його відсутністю через екстремально могутнє магнітне поле, так і з неактивним на момент спостережень станом об'єкта. Проведений статистичний аналіз 295 спалахів блиску QQ Vul і BY Cam (рис. 4). Їх власний блиск в фільтрі R порядку 15-16m, що приблизно на 1m слабіше за позавибуховий блиск системи. Вивчення кольорів спалахів показало, що майже всі вони мають характерне для циклотронного випромінювання збільшення блиску до червоних довжин хвиль. Однак більшість спалахів в фільтрі U яскравіша, ніж у B. Цей факт можна пояснити внеском чорнотільного випромінювання нагрітої поверхні білого карлика і гальмівного випромінювання від акреційної колони. Також виявилося, що спалахи QQ Vul в середньому є більш блакитними, ніж спалахи BY Cam. Це може бути пов'язане як з більшою напруженістю магнітного поля на поверхні білого карлика, так і з можливою вибуховою активністю червоного карлика (типу UV Cet). Однак тривалість більшості спалахів BY Cam лежить в діапазоні 35-120 секунд, а для QQ Vul - 15-170 секунд, що наводить на думку про спорідненість їх природи з акрецією згустків речовини, породжуючих дробовий шум на кривих блиску. У цьому випадку ми маємо справу з випромінюванням енергії трохи більш щільними і масивними неоднорідностями.

Уперше проведений спалах-аналіз швидкої змінності QQ Vul і BY Cam. Виявлена велика кількість квазіперіодичних осциляцій, що мали місце з характерними часами від десятків секунд до декількох хвилин. Швидкі осциляції часто пов'язані з короткими спалахами, тоді як періодичність з характерними часами 7-12 хвилин теорія пояснює модуляцією швидкості акреції через внутрішню точку Лагранжа внаслідок нестійкості іонізаційного фронту. У слабкому стані системи виявлено зникнення осциляцій з періодами більше 7 хвилин. Цей ефект можна пояснити зниженням амплітуди коливань іонізаційного фронту внаслідок зменшення випромінювання від акреційного регіону. На спалахограмах для BY Cam було виявлено 9 структур, названих нами "ланцюжками" (рис. 5), в яких коливання з періодом порядку 5-8 хвилин за час біля 10 хвилин плавно збільшують його до 7-10 хвилин. Вивчення таких структур показало, що вони являють собою послідовність проміжків активності високих частот, що змінюються низькочастотними коливаннями. Можливо, що тут ми зіткнулися з процесами зміни частоти коливань іонізаційного фронту у внутрішній точці Лагранжа. Добре представлені осциляції з періодами порядку 3-5 хвилин деякі дослідники пов'язують з наявністю магніто-гравітаційних хвиль на поверхні білого карлика, хоч аналогічний ефект може призводити до послідовності коротких спалахів блиску, що зливаються.

Шкалограмний аналіз кривих блиску QQ Vul і BY Cam показав фрактальний характер змінності цих об'єктів.

Також проведений аналіз вікових змін положення моментів мінімуму блиску QQ Vul. Запідозрене збільшення орбітального періоду QQ Vul. Виявлені швидкі зміни профілю головного мінімуму (рис. 6). Отримано 34 нові моменти мінімумів для цього об'єкта. Виявлена сезонна змінність амплітуди орбітальної кривої блиску цієї зірки.

Для поляра MR Ser виявлені закономірності в зміні геометрії акреційного потоку від циклу до циклу, аналізуються їх причини.

Метою даного розділу була обробка і аналіз параметрів швидкої змінності полярів, пов'язаної з нестаціонарними процесами в акреційному потоці.

У розділі 4, на основі припущення гаусового характеру розподілу щільності упоперек осі потоку, моделюються процеси захоплення речовини магнітним полем. Розраховуються стаціонарні і нестаціонарні моделі різних дільниць акреційного потоку. Уперше в застосуванні до полярів моделюється вплив стороннього випромінювання на щільність, температуру і міру іонізації речовини потоку. Доведена залежність геометрії акреційного потоку від швидкості акреції (рис. 7). Наприклад, у випадку QQ Vul при зміні швидкості акреції речовини в 10 раз, акреційна колона на поверхні білого карлика повинна зміститися приблизно на 10 градусів по довготі і на 1-2 градуси по широті, що призведе до істотної зміни форми орбітальної кривої блиску.

Тут ми зіткнулися з парадоксальним ефектом, коли внаслідок збільшення швидкості акреції і, отже, щільності речовини в потоці, він повинен проникати глибше всередину магнітосфери білого карлика. Однак збільшення швидкості акреції призводить до підвищення світності і, відповідно, температури потоку. Це призводить до збільшення дисперсії щільності упоперек потоку і збільшенню втрати ним речовини на ранніх стадіях руху від внутрішньої точки Лагранжа.

У окремих випадках низьких швидкостей акреції, або особливій конфігурації активних регіонів на поверхні білого карлика, неповна іонізація речовини призводить до того, що ми повинні розглядати модель двохчастичного газу. Також показано, що модель Релея-Тейлора розвитку нестабільності, що використовується, добре описує параметри неоднорідності акреційного потоку, що спостерігаються. Згідно з нашими дослідженнями, початкові розміри згустків потоку у випадку QQ Vul дорівнюють 2·109 см. При цьому нами показано, що час висвічення згустка не залежить від висоти акреційної колони, на якій починається його ударний нагрів.

Метою даного розділу є розрахунок моделей, що враховують нестаціонарні процеси, що протікають в системах магнітних катаклізмічних змінних зірок.

ВИСНОВКИ

Таким чином, в дисертації проведено як теоретичне так і експериментальне дослідження широкого спектра процесів, що призводять до нестабільності акреційного потоку в магнітних тісних подвійних системах, доведений тісний зв'язок нестаціонарностей, що спостерігаються на кривих блиску систем цих типів, з безпосередньо акреційним потоком і активними областями на поверхні виродженого компонента.

Основними результатами є:

1. Уперше отриманий набір 72 частот швидких осциляцій для BY Cam і 28 частот для QQ Vul, що дозволило вивчити декілька різних типів процесів. Виявлене зникнення низькочастотної змінності BY Cam в станах з низькою активністю, що пояснюється припиненням осциляцій іонізаційного фронту у внутрішній точці Лагранжа системи або зменшенням їх амплітуди. Виявлене перемикання змінності BY Cam з високочастотного на низькочастотний режими квазіперіодичних осциляцій.

2. Уперше отриманий набір характеристик 239 спалахів блиску BY Cam і 56 спалахів QQ Vul. Аналіз показав, що більшість спалахів є наслідком акреції щільних згустків речовини, хоч не можна виключати можливість наявності спалахів червоного карлика. Показаний двухкомпонентний характер спектру спалахів. Виявилося, що спалахи QQ Vul в середньому є більш блакитними, ніж спалахи BY Cam. Це було пов'язане з більшою напруженістю магнітного поля на поверхні білого карлика у системи BY Cam.

3. На основі аналізу 912 груп параметрів дробового шуму на фотометричних кривих блиску полярів BY Cam, QQ Vul, AM Her і EF Eri уперше визначені фізичні характеристики неоднорідності акреційного потоку. Виявлена орбітальна змінність амплітуди і часу експоненційного загасання дробового шуму. Доведений зв'язок джерела дробового шуму з активними регіонами поблизу поверхні білого карлика. Нами були отримані початкові розміри згустків потоку. Упереше показано, що час висвічення згустка не залежить від висоти акреційної колони, на якій починається його ударний нагрів.

4. Виявлені сезонні зміни амплітуди орбітальної змінності QQ Vul, що пов'язується з положенням активного регіону на поверхні білого карлика. Отримані 34 новіх моменти мінімумів блиску цієї зірки, що дозволило вивчити характер змін фотометричного періоду у цього об'єкта. Нами було відкрите збільшення періоду цієї системи, що дозволило оцінити швидкість аккреції і відстань до неї.

5. Уперше для полярів побудовані моделі акреційного потоку з урахуванням зміни температури і міри іонізації газу з віддаленням від джерела випромінювання і зменшенням швидкості акреції. Цей ефект приводить до змін геометрії акреційного потоку і змінності орбітальних кривих блиску.

6. Створений програмний комплекс для обробки фотометричних і поляриметричних спостережень, отриманих на одноканальному фотометрі-поляриметрі на Дзеркальному телескопі ім. ак. Шайна, що дозволяє повністю автоматизувати процес обробки аж до отримання кінцевих таблиць і статистичної обробки спостережень для виявлення основних закономірностей. У пакеті використовується декілька нових методів обробки спостережень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Pavlenko E. P., Ketsaris N. A., Halevin A. V., Andronov I. L. Light curve variations of the magnetic cataclysmic binary MR Serpentis:. Photometric period is not as sure as believed//Odessa Astronomical Publications. - 1994. - 7. - С.121-123

2. Шаховской Н. М., Андронов И. Л., Колесников С. В., Халевин А. В. Методика измерения круговой поляризации с одноканальным фотополяриметром//Кинематика и физика небесных тел. - 1998. - 14. - с.468-472.

3. Halevin A. V. Computer programs for time series reduction and analysis//Odessa Astronomical Publications. - 1996. - 9. - С.125-126.

4. Halevin A. V., Andronov I. L., Kolesnikov S. V., Kimeridze G. N. Evolution of the photometric properties of the magnetic cataclysmic binary QQ Vul in 1986-88//Odessa Astronomical Publications. - 1997. - 10. - С.25-27.

5. Andronov I. L., Chinarova L. L., Dorokhov N. I., Dorokhova T. N., Halevin A. V., Kolesnikov S. V., Pavlenko E. P., Shakhovskoy N. M. Studies of the Accretion Structures Near White Dwarfs in the Astronomical Observatory of the Odessa State University and in the Crimean Astrophysical Observatory//Astron. Soc. Pacif. Conf. Ser. - 1999. - 169. - С.180-183.

6. Shakhovskoy N. M., Andronov I. L., Kolesnikov S. V., Halevin A. V. Blob parameters of accretion streams in magnetic cataclysmic variables//Odessa Astronomical Publications. - 1999. - 12. - С.242-244.

7. Shakhovskoy N. M., Halevin A. V. High-field polar AR UMa in faint luminosity state// Inform. Bull. Variable Stars. - 2000. - No. 4858.

Размещено на Allbest.ru