Об эволюции маломассивных тесных двойных систем

История изучения звездных Двойных Систем (ДС) уходит в 17-ый век. Риччоли, Майер, Гудрайк были пионерами в области наблюдений двойных звезд. Первые систематические наблюдения и каталогизация двойных звезд по праву принадлежат Вильяму Гершелю [1], который своими работами по определению параллаксов, периодов обращения, изменения относительных положений доказал существование физически связанных между собой ДС.

Эра точных и планомерных измерений ДС началась с работ В. Я. Струве, который разработал методику наблюдений двойных звезд, включающую поиск ДС, определение их экваториальных координат, микрометрические измерения относительных расстояний и позиционных углов. Впервые в план систематических наблюдений Тесные Двойные Системы (ТДС) были включены В. Я. Струве в 1822 году в Дерпте (ныне Тарту, Эстония), а с 1839 года, после установления в Пулковской обсерватории нового рефрактора (на тот момент самого большого в мире) уже сын В. Я. Струве — Отто Струве включил в план наблюдения как ранее открытые ДС с заметными относительными движениями, так и более тесные ДС, которые не были замечены прежними наблюдателями [1].

По мере накопления наблюдательного материала возникла необходимость составления сводных каталогов двойных звезд. В 1906 году Бернем составил каталог, содержащий сведения о 14 000 пар от северного полюса до -31° склонения. В 1932 году Айткен издал новый генеральный каталог ADS, включающий 17 180 звезд в области неба от северного полюса до полярного расстояния 120°, удовлетворяющих критерию: lg р < 2.8 — 0.2-т, (1) где р — взаимное расстояние в секундах дуги, т — суммарная видимая величина звезд пары. В 1962 году число известных звездных пар на всем небе составляло ~ 40 000 [1]. По данным за 1986 год число открытых визуально-двойных звезд включая широкие пары) превышало 60 ООО [2], из них лишь 10 ООО измерялись более или менее регулярно, а число спектрально-двойных звезд составляло более 3000, приблизительно для 1000 из них вычислены элементы орбитзатменно-переменных звезд известно свыше 4000 [3].

Современный период исследования ДС справедливо связывают с космическим экспериментом HIPPARCOS, в рамках основной миссии которого было изучено 11 434 программных ДС и зарегистрировано 3000 новых двойных звезд с данными об их параллаксах, определенных с высокой точностью (0″ .002), собственных движений и звездных величинах [4].

В динамическом смысле двойная звезда — система из двух светил, обращающихся вокруг общего центра масс — очень стабильна. Она была бы практически вечной, если бы не влияние соседей и физическая эволюция ее собственных компонентов. Тем не менее, внутренняя механическая устойчивость гарантирует ДС длительное существование. Поэтому около половины всех звезд в Галактике объединены в ДС, размеры которых лежат от -0.007 а. е. до 70 000 а. е. [5]. Такая высокая распространенность ДС позволяет изучать природу самих звезд и проблемы происхождения и эволюции звезд.

Кинематическое определение ДС — система, у которой полная энергия является отрицательной — эквивалентно геометрическому определению, которое заключается в том, что движение ДС осуществляется в ограниченной области пространства.

Объектами настоящего исследования являются ТДС, двойственность которых установлена фотометрически или спектроскопически. Эти ТДС были взяты из «Каталога приближенных фотометрических и абсолютных элементов затменных переменных звезд» Свечникова, Кузнецовой [6]. Данный каталог включает сведения о 437 РГП, 153 ~KW, 304 KW, 462 КР системах с известными спектрами и спектрами, оценёнными из соотношения «масса — спектр», причем из них 273 РГП, 67 -KW, 66 KW, 121 КР системы имеют известные спектры главных компонентов Spb.

Эти сокращения, отражающие эволюционный статус ТДС, приняты согласно классификации Свечникова и др. [7] и приводятся ниже:

РГП — «Разделённые системы Главной Последовательности (ГП)» — ТДС с обоими компонентами, расположенными в пределах ГП.

KW — «системы подобные KW, или известные в научной литературе еще как короткопериодические RS CVn» — маломассивные системы спектральных классов F^K, не являющиеся контактными, но более тесные, чем РГП системы с такими же массами и обладающие по многим характеристикам сходством с системами типа KW.

KW — «Контактные системы типа W UMa» — с обоими компонентами, сравнительно близкими к соответствующим Внутренним Критическим Поверхностям (ВКП), с периодами < 0. d5 и спектрами главных компонентов Sp, более поздними, чем «F0.

КР — «Контактные двойные Ранних спектральных классов» — системы, у которых оба компонента близки по размерам соответствующим ВКП, периоды превосходят 0 d5 и Spl не позднее, чем «F0.

ПР — «Полуразделенные системы» — системы, в которых более массивный компонент является звездой ГП, а менее массивный спутник — субгигант, близкий по размерам к соответствующей ВКП. Численность ПР систем с Р<l.d2 (известных еще как R СМа) в каталоге [6] составляет 485 ДС.

Целью представляемой диссертационной работы является доказательство существования двух эволюционных цепочек для маломассивных РГП систем в зависимости от их орбитального периода:

1. маломассивные РГП системы с Mi<.bM@ и Р<5d последовательно проходят следующие этапы своей эволюции:

— стадия предконтактных ~KW систем;

— стадия контактных KW, или типа W UMa, систем с P<0.d4;

— стадия слияния компонентов контактных систем, в результате которой образуются объекты типа «Голубые Бродяги» ГБ.

РГП -> -KW ->- KW -" ГБ.

Щ<1.5^, P<5d) (Р<0.d4).

2. маломассивные с 1 d2.

— стадию короткопериодических ПР систем типа R CMac/>

— стадию маломассивных, короткопериодических КР систем с Sp, изменяющимся в пределах A2-^F2, Р<ld и #<0.5, в которых устанавливается контакт после перемены ролей;

— стадию контактных KW, или типа W UMa систем с 0. d4.

— стадию ГБ.

РГП -> ПР КР —>• KW -" ГБ.

1.4i%<2J{sl.d2<2d5) (/><1%<0.5) (0.d4.

Также в рамках диссертационной работы был составлен автором совместно с Перевозкиной и Свечниковым и статистически обработан «Каталог предконтактных систем с известными фотометрическими и (в большинстве случаев) спектроскопическими элементами орбит», который представляет собой обновленную версию ранее опубликованного каталога Свечникова [8]. Новый каталог содержит 33 ~ KW системы..

В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты:.

1. На базе теоретических эволюционных звездных треков Maeder, Meynet [9], Claret, Gimenez [10] развиты и апробированы на данных каталогов [6, 11−13] оригинальные способы определения возрастов РГП систем — метод изохрон и метод треков — с описанием точности предложенных методов, их сравнительного анализа и отождествления полученных возрастов РГП систем с возрастами скоплений..

2. Изучен ряд статистических диаграмм для указанных классов ТДС на базе данных каталога [6] для выявления эволюционной связи между разделенными и контактными типами ТДС:.

— масса главного компонента — большая полуось системы М- - А-.

— спектр главного компонента — орбитальный период системы Spj — Р-.

— избыток радиуса компонента — масса компонента A R — М,.

— избыток светимости компонента — масса компонента A Mboi — Щ.

— степень наполнения ВКП — орбитальный период системы R/RKpum — Р.

— диаграмма Каретникова [ 14] (Ri/RKPum гRApum 2) ~ R/RKPum.

— орбитальный период системы — отношение масс компонентов P-q..

3. Построены и визуализованы в виде «карт интенсивностей» начальные и современные распределения пространственных плотностей ТДС указанных типов з в 1 пк в окрестности Солнца с учетом индивидуальной вероятности открытия ТДС как затменно-переменной, индивидуального объема, в котором наблюдаются системы данного типа до заданной предельной звездной величины и эффектов наблюдательной селекции..

4. По данным каталога [6] рассчитана шкала контактизации — время, за которое типичная маломассивная, короткопериодическая РГП система сначала превращается в предконтактнуюKW систему типа короткопериодической RS CVn, а затем эволюционирует в контактную KW систему солнечного типа (W UMa). Эволюционные переходы вида Prn-«~KW и ~KW-«KW обусловлены наведенным вращением динамо во внешней конвективной зоне и последующим торможением тепловым магнитным звездным ветром в предположении синхронизации осевого вращения и орбитального обращения, приводящего к сближению компонентов [15]..

5. Выполнена оценка времени слияния компонентов контактных систем типа KW по данным каталога [6] в шкале потери Орбитального Углового Момента (ОУМ) и потери массы из системы на базе двух моделей:.

— Модель одностороннего перетекания вещества с главного компонента на спутник, заключенных в общую оболочку — сценарий Eggen, Iben [16]-.

— Модель контактной системы типа W UMa на Начальной Главной Последовательности (НГП) с теряющим массу спутником — сценарий van’t Veer [17]..

6. По соотношению возрастов старых скоплений и времени, затрачиваемого на образование продуктов слияния компонентов ТДС типа W UMa, по данным обзора Stryker [18] сделано отождествление сливающихся компонентов с объектами класса ГБ, населяющих старые скопления..

7. Обновленная версия каталога предконтактных систем с хорошо изученными фотометрическими кривыми блеска и кривыми лучевых скоростей и его статистическая обработка..

Содержание пункта 1 подробно изложено в Главе 1 в сопровождении расчетов, представленных в Приложении 1- пункты 2 и 3 рассматриваются в Главе 2- пункты 4−6 описаны в Главе 3 и Приложении 2- полная информация по пункту 7 дается в Приложении 3..

Новизна результатов диссертационной работы:.

— впервые на основе большого материала «Каталога приближенных фотометрических и абсолютных элементов затменных переменных звезд» Свечникова, Кузнецовой [6], составленного на основе ОКПЗIV были последовательно изучены и описаны по времени стадии эволюционного превращения маломассивных, короткопериодических разделенных ТДС в одиночные объекты класса ГБ (в исследование вовлечено 1840 систем изучаемых типов) —.

— разработана оригинальная «сеточная» методика оценки возрастов разделенных двойных систем по изохронам и трекам-.

— впервые рассчитаны и количественно интерпретированы начальные и современные распределения пространственных плотностей ТДС разных эволюционных типов в зависимости от их физических характеристик с учетом эффектов наблюдательной селекции и визуализованы в виде так называемых «карт ингенсивностей» по ячейкам диаграммы Alg MjX Alg Р-.

— впервые для маломассивных разделенных ТДС и предконтактных систем из каталога Свечникова, Кузнецовой [6] были оценены индивидуальные шкалы контактизации, описывающиеся известным механизмом потери ОУМ через Магнитное Торможение (МТ) —.

— впервые для контактных систем типа W UMa из каталога Свечникова, Кузнецовой [6] были оценены индивидуальные шкалы слияния, рассчитанные с помощью модели одностороннего перетекания Eggen, Iben [16] и модели контактной системы, принадлежащей НГП, van’t Veer [17]-.

— представлена обновленная версия каталога предконтактных систем с известными фотометрическими и (в большинстве случаев) спектроскопическими элементами орбит, составленного автором совместно с Перевозкиной и Свечниковым на основе ранее опубликованного каталога [8]..

Практическая и научная ценность:.

— Подход статистической обработки каталогов, состоящий в выявлении и описании эволюционных цепочек, связывающих ТДС, находящихся на различных стадиях эволюции, помогает восстановить целостную эволюционную картину одного и того же класса маломассивных ТДС-.

— Методика вычисления возрастов разделенных ТДС на основе сеток изохрон и треков имеет универсальный характер и может быть применена к произвольным эволюционным теоретическим моделям для решения аналогичных задач-.

— Методика отождествления объектов одного класса с другим, основанная на соотношении частоты встречаемости этих объектов и длительности их существования может быть полезна при исследовании любых генетически связанных звездных объектов-.

— Статистический аппарат, позволяющий восстанавливать из наблюдательных данных «истинные» современные и начальные пространственные распределения ТДС по своим физическим характеристикам, широко используется для теоретических исследований эволюции ТДС-.

— Современный всеволновой диапазон наблюдений, новые инструментальные возможности, а также внедрение современных методов моделирования и обработки с помощью быстродействующих компьютеров кривых блеска и спектров способствуют значительному увеличению числа хорошо изученных звезд, что, в свою очередь, требует периодически проводить ревизию каталогов, в частности каталога предконтактных систем..

Актуальность диссертационной работы:.

— ТДС являются, фактически, основным инструментом для измерения фундаментальных звездных характеристик — масс и радиусов. Количественная интерпретация кривых лучевых скоростей и кривых блеска ТДС, как затменно-переменных, представляет наиболее полную информацию об их фотометрических и спектроскопических элементах орбиты-.

— Использование каталогов, как наиболее надежных источников наблюдательных данных об орбитальных элементах, массах и светимостях звезд с учетом их классификации по эволюционному статусу позволяет выявить эволюционные связи между ТДС, находящихся на различных стадиях эволюции в пределах ГП и в фазе «первого обмена массой» —.

— В результате современных статистических исследований, позволяющих построить наблюдаемые и исправленные за эффекты наблюдательной селекции распределения ТДС по своим физическим характеристикам, можно оценить: а) степень эволюционного родства разделенных и контактных ТДСб) описать предконтактную эволюционную стадиюв) наложить ряд ограничений на физические характеристики разделенных и контактных ТДС, чтобы сформулировать условия, при которых выполнимы подобные эволюционные переходыю.

— Учет эффектов наблюдательной селекции для ТДС разных типов позволяет рассчитать «истинную» пространственную плотность ТДС этих типов в 1 пк3 в окрестностях Солнца и сравнить результаты теоретических расчетов эволюции ТДС с данными наблюдений-.

— Задача определения возрастов ТДС типа РГП методом изохрон тестирует теоретические звездные эволюционные модели на предмет начального химического состава, нуклеосинтеза и химической эволюции Галактики-.

— В настоящее время широко изучается эволюция маломассивных ТДС с исследуется скачок пространственной плотности маломассивных.

разделенных и контактных систем в области «запрещенного треугольника» на диаграмме масса главного компонента — большая полуось, обусловленный особенностями образования ТДС-.

— Теоретически рассчитываются шкалы контактизации и слияния компонентов на поздних стадиях эволюции с целью объяснить наблюдательные факты о распространенности контактных систем и объектов класса ГБ в старых скоплениях диска и шаровых скоплениях гало и построить их родительские модели-.

По материалам диссертации опубликовано 10 статей, 6 из них в реферируемых журналахв совместных статьях вклад всех авторов равноценный:.

1. G. N. Dryomova, М. A. Svechnikov, «Statistical research in evolutionary genetic relationship of DMS, DW, KW, KE types of double stars» -Odessa Astronomical Publications, 1999, v.12, p.187−190.

2. M. А. Свечников, Г. H. Дремова, Е. J1. Перевозкина, «Определение возрастов звезд типа РГП с известными фотометрическими и спектроскопическими элементами», — Каталог орбитальных элементов, масс и светимостей затменных переменных звезд типа РГП и некоторые результаты его статистической обработки, изд-во Уральский Университет, Екатеринбург, 1999, с. 58−66.

3. М. А. Свечников, Г. Н. Дремова, Е. JI Перевозкина, «Определение возрастов звезд типа РГП с известными элементами фотометрической орбиты и неизвестными спектроскопическими элементами», — Каталог орбитальных элементов, масс и светимостей затменных переменных звезд типа РГП и некоторые результаты его статистической обработки, изд-во Уральский Университет, Екатеринбург, 1999, с. 122−133 и.

4. Г. Н. Дремова, М. А. Свечников, «Определение возраста компонентов затменных переменных звезд по моделям Мэдера и Мейнета», — Кинематика и физика небесных тел, 2000, т. 16, N 2, с.169−180.

5. G. N. Dryomova, М. A. Svechnikov, «Method of the age estimation for detached MS double systems» , — JENAM, 9th European and 5th Euro-Asian Astronomical Society Conference, 2000, Moscow, p. 74.

6. Г. H. Дремова, M. А. Свечников, «Исследование эволюционной связи разделенных и контактных двойных систем», — Астрономический журнал, 2001, т. 78, N 3, с. 248 — 252.

7. Г. Н. Дремова, М. А. Свечников, «Оценка шкап перехода разделенных двойных систем в контактные типа ~KW и KW», — Кинематика и физика небесных тел, 2001, т.17, N2, с. 121−133.

8. Г. Н. Дремова, М. А. Свечников, «Оценка шкал контактизации и слияния для компонентов контактных систем», — ВАК, Тезисы докладов, СПб.: НИИХ СПбГУ, 2001, с. 61.

9. Г. Н. Дремова, М. А. Свечников, «Оценка шкалы слияния компонентов контактных систем типа W UMa», — Астрофизика, 2002, т. 45, N 2, с. 193−202.

10. Г. Н. Дремова, М. А. Свечников, «Определение возраста тесных двойных систем на ГП по эволюционным моделям Claret, Gimenez» — Астрофизика, 2002, т. 45, N 3 с. 419 — 434.

Материалы диссертации докладывались на:.

— Международной конференции памяти Гамова GM1C-99 в Одессе, 16−22 августа 1999;.

— Международной конференции JENAM-2000 в Москве, 29 мая — 3 июня 2000 года-.

— ВАК-2001 в Санкт-Петербурге, 6−12 августа 2001;.

— Международных студенческих научных конференциях «Физика космоса» в Коуровской обсерватории (каникулярная Зимняя Астрономическая Школа) в период с 1999 — 2002 гг.;.

— Научных семинарах кафедры теоретической физики ЧелГУ (4 апреля, 16 мая, 19 сентября, 31 октября 2002 г.) —.

-Научном семинаре астрофизических отделов ГАО РАН (9 апреля 2002 г.) — -Научном семинаре кафедры астрофизики СПбГУ (11 апреля, 2002 г.) —.

— Научном общем семинаре кафедры астрономии и геодезии и АО УрГУ (23 сентября 2002) — -Научном объединенном семинаре ИНАСАН (26 сентября 2002 г.)..

ГЛАВА.

Первоначально поставленная цель данной работы состояла в том, чтобы доказать эволюционную связь маломассивных короткопериодических разделенных ТДС и одиночных объектов класса «голубые бродяги», которую условно можно представить в виде эволюционной цепочки РГП (^й<1.5Л., р^з") ^К" У^->КДУ (-><�о.''4)^ГБ. Анализ и количественная интерпретация ряда статистических диаграмм, отражающих распределения изучаемых типов систем по их физическим характеристикам (спектр, период, большая полуось орбиты, массы компонентов, избытки радиусов, избытки светимостей, степени наполнения ВКЛ и т. д.), а также изучение соотношений вычисленных возрастов для данных систем и их пространственных плотностей показали, что предполагаемый эволюционный сценарий не единственный. Потребовался комплексный подход, включающий статистический аппарат, способный восстанавливать из наблюдательных данных с учетом эффектов наблюдательной селекции (учет полной вероятности открытия ТДС как затменно-переменной, объема, в котором заключены данного типа ТДС до заданной предельной звездной величины) «истинные» современные и начальные пространственные распределения ТДС по своим физическим характеристикам, сеточную методику расчета возрастов разделенных систем по изохронам, построенным по известным теоретическим моделям (Мае (1ег, МеупеХ, например). Кроме того, были привлечены известные сценарии потери ОУМ и массы из-за магнитного торможения, в рамках которых можно в грубом приближении получить оценки шкалы контактизации и шкалы слияния компонентов Ш и М, а систем в одиночный объект. Применение всего перечисленного на большом статистическом материале каталога Свечникова, Кузнецовой [6] позволило найти и обосновать ограничения, накладываемые на физические характеристики эволюционно родственных ТДС и схематично проиллюстрировать выявленные связи на примере двух эволюционных цепочек:.

1. РГП -> К? ^ К? 2. РГП ^ ПР КР -" К? (М<1.5Ж) {Р<�ОМ) {ЛМ<�М^2М) {Р<'2) (Р<1' ') (0.''4<Р<0.''5) (Р^З") (1''.2<Р<2''.5) (^"0.5⁰.2) (д<0.5) Подробное изучение и количественное описание предконтактной фазы потребовало уточненных данных по фотометрическим и абсолютным элементам для класса короткопериодических типа КЗ СУп систем. Поэтому возникла необходимость в рамках данной работы составить и статистически обработать новую версию каталога K W систем с хорошо изученными кривыми блеска и лучевых скоростей. Его описание с указанием примечаний по каждой системе и библиографических ссылок приводится в Приложении 3. в заключение всего сказанного, мне бы хотелось выразить искреннюю признательность своему научному руководителю профессору Марию Анатольевичу Свечникову, который постоянно уделял внимание и время представляемой работе, критически анализировал результаты проводимых вычислений, предоставлял возможность свободно пользоваться его научной библиотекой и архивными материалами карточного каталога. Также считаю своим долгом поблагодарить весь коллектив кафедры астрономии и геодезии и директора Коуровской обсерватории Захарову Полину Евгеньевну за возможность систематически участвовать в ЗАШ «Физика Космоса», где, фактически, были представлены все выносимые на защиту материалы диссертации. Также хочу выразить благодарность д. ф. — м. н. Дудорову Александру Егоровичу за предоставленную возможность провести серию предзащитных семинаров на кафедре теоретической физики ЧелГУ, сыгравших важную роль в подготовке и обсуждении результатов диссертации. Особое внимание и тщательный разбор результатов с ценными замечаниями по их интерпретации и стилистике изложения уделили сотрудники ИНАСАНа — д. ф. — м. н. Тутуков Александр Васильевич и д. ф. — м. н. Пискунов Анатолий Эдуардович, а также сотрудники кафедры теоретической астрономии СПбГУ — профессор Горбацкий Виталий Герасимович, профессор Иванов Всеволод Владимирович, доцент, к. ф. — м. н. Орлов Виктор Владимирович..