Kettőscsillagok. Molnár László

Átírás

1 Kettőscsillagok Molnár László CSILLAGÁSZATI ALAPTANFOLYAM 2013

2 Mi a kettőscsillag? dinamikailag összetartozó rendszerek: közös tömegközéppont körül keringenek kialakulásuktól fogva együtt fejlődnek elnevezés: fényesebb: főkomponens, halványabb: kísérő A, B (A: fényesebb vagy nyugatabbra lévő) csillagok ~ 60 %-a kettős vagy többes rendszer tagja fizikai paraméterek egyszerűen meghatározhatóak

3 Mennyi a kettőscsillag? Csillagok kb. fele nem egyedülálló ~ 50 ± 10 % egyedül ~ 38 ± 10 % kettős ~ 8 ± 3 % hármas ~ 3 ± 1 % többes rendszerekben

4 Kettőscsillagok - történelem Mizar Arabok az éleslátást tesztelték vele 1617 Benedetto Costelli: Mizar B 1650 Riccioli is leírja 1803 William Herschel: bizonyíték fizikai kapcsolatra Alcor valójában két kettősből álló négyes rendszer Alcor is kettős Mizar A, B

5 Kettőscsillagok - történelem Mizar A: első spektroszkópiai kettős 1889, Antonia Maury, Edward Pickering Pontos periódust nem tudták megadni Nagyon excentrikus 1996, interferometria:

6 Kettőscsillagok - történelem Algol Fedési kettős 2,87 naponként ~10 órára Név jelentése: Gorgó/Medúza feje, démoncsillag Változásra utalhat 1783, John Goodricke: sötét társ fedése okozza Van egy távolabbi 3. komponens is nem fed Vizuális becslések

7 Kettőscsillagok - történelem Algol Fedési kettős 2,87 naponként ~10 órára Név jelentése: Gorgó/Medúza feje, démoncsillag Változásra utalhat 1783, John Goodricke: sötét társ fedése okozza Van egy távolabbi 3. komponens is nem fed

8 Osztályozás Nem mindig egyértelmű, átfedések vannak vizuális kettős: felbontható rendszerek (műszer és égbolt függő) optikai kettősök: nem kettősök, nincs fizikai kapcsolat csak egy irányban látszanak asztrometriai kettős: csillag sajátmozgása nem egyenletes

9 Osztályozás spektroszkópiai kettős színképvonalak periodikus elmozdulása feltétel: ne merőlegesen lássunk a pályasíkra egyvonalas (csak az egyik csillag vonalai), kétvonalas (két csillag vonalai, ellentétesen mozognak) spektrum kettős: két színkép összege

10 Osztályozás Fotometriai kettős / fedési kettős: fénygörbe alapján változócsillag típus is egyben pályasíkra nagyjából élből látunk rá EA: Algol típusú: jól kivehető kezdet és vég erősen excentrikus pálya

11 Osztályozás EB: β Lyr típusú: ellipszoidális kettős: kettős színuszgörbe EW: W UMa típusú: érintkező rendszer kis különbség fő és mellékminimum között leggyakoribb típus O-C kettős: legalább az egyik periodikus jelforrás, Doppler eltolódás következtében periódus modulálódik

12 Osztályozás fejlődési állapot szerint egy csillagközi gázfelhőből keletkeztek ugyanolyan kémiai összetétel, kezdeti tömeg különbözhetett csillagfejlődés erősen tömegfüggő, a paraméterek közötti különbségek a kor függvénye két fősorozat előtti 2 fősorozati főkomponens tágul főkomponens végállapotban van kísérő tágul kísérő végállapotban van kompakt kettősök: AM Canum Venaticorum típus: 2 fehér törpe kettős pulzár: két neutroncsillag röntgenkettősök: neutron csillag vagy fekete lyuk + fősorozati

13 Vizuális kettősök vizsgálata tömegmérés Kepler III. törvénye alapján: M 1+M2=a3/P2 merőleges pálya rálátás esetén távolság és keringési idő ismeretében M1+M2 meghatározható Zwiers féle grafikus eljárás M1 és M2 közvetlenül csak akkor határozható meg ha a tömegközéppontra vonatkoztatott ellipszis is felrajzolható

14 Zwiers-féle grafikus módszer nem merőleges esetben vetületet látunk ellipszis centruma a vetítés során nem változik SC/CA = e excentricitás mivel a vetítés aránytartó: a/b = 1/ (1-e2) segédellipszis: a köré írt kör vetülete b irányú húrokat a/b arányban nyújtva segédellipszis nagytengelye az igazi nagytengely

15 Vizuális kettősök vizsgálata empirikus tömeg-fényesség reláció a Naprendszer környezetében lévő fősorozati csillagokra L ~ M4 7m L ~ M1.5

16 Vizuális kettősök vizsgálata ha nem ismerjük a távolságot: iterációval M1 és M2közelítőleg meghatározható 2 MNap=a3/T2 nulladik közelítéssel a --> távolság látszó magnitúdót mérünk --> abszolút magnitúdó becslés tömeg-fényesség relációból M1 és M2 ezt behelyettesítjük az eredeti egyenletbe, és így tovább... = dinamikai parallaxis (távolságbecslő módszer)

17 Spektroszkópiai kettősök vizsgálata kétvonalas: radiális sebesség időbeli változásából pályamenti sebesség tegyük fel hogy i = 90 és körpályán mozognak távolság: r1=v1*p/2π, r2=v2*p/2π M1/M2=r2/r1, a=r1+r2 -> tömegek aránya, nagytengely Valójában csak alsó korlátok M sin i, stb... T < 10 nap a komponensek árapály erők hatására az eredetileg elliptikus pálya körpályára módosul

18 Spektroszkópiai kettősök vizsgálata Rossiter-MacLaughlin-effektus Gyorsan forgó csillagnak egyik, majd másik féltekéjét látjuk Forgási sebesség, forgás-keringés irányai mérhetőek (direkt vs. retrogád)

19 Spektroszkópiai kettősök vizsgálata Rossiter-MacLaughlin-effektus Gyorsan forgó csillagnak egyik, majd másik féltekéjét látjuk Forgási sebesség, forgás-keringés irányai mérhetőek (direkt vs. retrogád)

20 Exobolygók esetében is megfigyelhető

21 Fedési kettősök vizsgálata idealizált fénygörbe: 2 egyforma tökéletes gömb, egyenletes fényességeloszlással, körpályán keringenek i = 90 rálátás mellett sugarak aránya megbecsülhető a fényességcsökkenés időtartalmából: R1/R2 ~ (t2-t3)/(t1-t2)

22 Fedési kettősök vizsgálata idealizált fénygörbe: 2 egyforma tökéletes gömb, egyenletes fényességeloszlással, körpályán keringenek i = 90 rálátás mellett sugarak aránya megbecsülhető a fényességcsökkenés időtartalmából: R1/R2 ~ (t2-t3)/(t1-t2) hőmérsékletek aránya a fő és mellékminimum arányából L = 4πR2 σ Teff4 Kitakart felület azonos

23 Fedési kettősök vizsgálata fénygörbe torzulás okai: Pálya excentricitás Szélsötétedés Reflexió Alakdeformáció Tömegcsere a komponensek között Apszisvonal mozgása (komponensek deformáltsága vagy harmadik komponens okozhat ilyet)

24 Erősen excentrikus kettősök

25 Fedési kettősök vizsgálata Közeli kettősök: forgás szinkronizálódik a keringéshez Ált, gyorsabb lesz -> erősebb mágneses tér Nagyobb aktivitás Flerek, csillagfoltok

26 Keringési idők szeparáció függvénye: pl. 2 fehér törpe ~ km szeparáció --> néhány perces keringési periódus 0.5 pc felső határ --> 300 millió év keringési periódus megfigyelt legrövidebb keringési idő: 18 perc megfigyelt leghosszabb keringési idő: 27 év keringési periódusváltozások: tömegátadás következménye

27 Cirkularizáció: kettősök árapály hatására körpályára kényszerülnek Naphoz hasonló törpék: kb nap alatt

28 Cirkularizáció: kettősök árapály hatására körpályára kényszerülnek Naphoz hasonló törpék: kb nap alatt Minél öregebb az adott populáció, annál hosszabb periódusig Szürke sávok: modellszámítások

29 Algol típusúak Jellemző periódusok: pár nap Extrém: 0,145 nap VZ Sculptoris 27 év: ε Aurigae Kiterjedt porkorong a kísérő körül Összes változó ~10 %-a ε Aurigae Interferométeres mérések

30 β Lyrae típusúak Szoros kettősök Anyagátadás az egyikről Bármelyik lehet Algol utáni állapot? Gyakran torzult csillagalak β Lyr interferometria ->

31 W Uma típusúak Érintkező kettősök, P ~ 8 óra Hőcsere a két csillag között Felszíni hőmérsékletek kiegyenlítődnek

32 Tömegátadás Roche felület: érintkező ekvipotenciális felület, tartalmazza az L 1 pontot közelítő formula:

33 Szoros kettősök Kategóriák: D: (detached) különálló, egyik sem ölti ki a Roche lebenyt SD: (semi-dateched) félig érintkező egyik kitölti C: (contact) érintkező, mindkettő kitölti NC: (near contact) mindettő majdnem kitölti OC: (over contact) közös burok DC: (double contact) ilyet még nem láttak

34 Összefüggés a típus és a keringési idő között

35 Algol-paradoxon kisebb tömegű csillag fejlettebb? nagyobb tömegű csillag gyorsabban fejlődik Csak egyedülálló csillagokra igaz! nagyobb tömegű kitöltötte a Roche térfogatát az anyag átáramlott és a tömegarány megfordult

36 Tömegátadás Több módon történhet W UMa: közös burok, hőcsere L1 ponton, közvetlenül a felszínre Forró folt, röntgenforrás, etc. L1 ponton, de nem közvetlenül a felszínre Coriolis-erő -> eltérül Akkréciós korong

37 Tömegátadás következményei cirkumsztelláris diszk: színképben emissziós vonalak röntgensugárzás: ha az egyik kompakt, változó intenzitás, általában optikai változással jár együtt periódusváltozás: közel egyenletesen nő vagy csökken Felt, hogy a rendszer konzervatív: Pálya-impulzusmomentum állandó Nincs tömegvesztés J=μva μ = m1m2 / (m1+m2) Fél nagytengely (szeparáció, periódus) változik! --> a: fél nagytengely

38 Tömegátadás következményei Nagyobbról kisebbre: Tömegarány csökken (m1 / m2 1 ) Szeparáció csökken (közelednek) Egyenlő tömegek μ = 1, csillagok legközelebb egymáshoz Kisebbről nagyobbra: Szeparáció nő

39 Tömegátadás evolúciós szempontból 3 tömegátadási típus Kezdeti szeparációtól függ Mikorra lesz elég nagy a sugár hogy kitöltse a Rochelebenyt A-típus: mag H égése alatt B-típus: He égetés előtt C-típus : He égetéskor

40 Gyors és lassú tömegátadás Dinamikai besorolás Gyors nagyobb tag kitölti a Roche-lebenyt, átadás a kisebbre Érintkező pár alakul ki, hőm. kiegyenlítődés Lassú Nagyobb tag tömeget szív el a kisebbtől Kisebb tag Roche-potenciálon belülre kerül Újra félig érintkező rendszer Ciklikus lehet: termális relaxációs oszcilláció

41 Kataklizmikus változók tömegátadás következményeként hirtelen lezajló termonukleáris folyamatok a csillag felületi rétegeiben: novák, törpenovák, szimbiotikus csillagok vagy a csillag belsejében szupernovák

42 Hierarchikus rendszerek Alrendszerekre oszlanak pl: kettős pár egy főcsillag körül Szoros kettős körül távoli harmadik Algol is ide tartozik HD Derekas Alíz et al., Science, 2011 KOI-126 hasonló rendszer /media/usb DISK/előadások/ s.mp4

43 Hierarchikus rendszerek Árapály-erők nem gömbszimmetrikus égitestek Excentrikus pályák Pályák emberi időskálán változhatnak -> KIC fedései eltűntek

44 Hierarchikus rendszerek KOI-13 (Szabó M. Gyula et al.) Eltérő forgási és keringési sík Gravitációs kifényesedés Forró szuperjupiter Fedések hosszabbodnak: keringési sík elfordul Évszázad végére nem fogunk fedést látni!

45 Excentrikus kettősök és szívdobbanások KOI-54 Erősen excentr., periasztronban kifényesedés Kölcsönös reflexió, fűtés Árapály gerjesztette pulzáció

46

47 Érdekességek SR24 (Ophiucus) VLT, koronográffal Tömegátadás közvetlen bizonyítéka

48 Érdekességek KPD Fehér törpe + B szubtörpe Közeli pár ellipszoiddá torzulnak Gravitációs lencsézés szubtörpe a WD mögött Fedéskor felnagyítja a képét Több fény érkezik, laposabb min. Doppler-boosting Relativisztikus effektus Mozgás irányában több foton P = 0.4 nap, v = 168 km/s

49 Érdekességek Gravitációs lencsézés