Фундаментальные параметры компонент маломассивных кратных звезд каталога Hipparcos

Значительная часть звезд нашей Галактики, по разным оценкам от 50 до 90 процентов, входит в состав кратных систем. Это говорит о том, что фрагментация ядер молекулярных облаков во время их гравитационного коллапса является основным механизмом при формировании звезд. Теория фрагментации, которая критически зависит от исходного распределения плотности газа в облаке, должна объяснять статистические свойства звездных систем, согласующиеся с современными наблюдениями. Вместе с тем, значительная часть проблем звездообразования остается нерешенной. Среди них — распределение отношений масс в двойных системах, сохранение углового момента при формировании звезд, связь между наблюдаемым распределением расстояний и эксцентриситетов в двойных и свойствами газового диска. Остаются нерешенными также вопросы динамической стабильности образованных систем, влияния приливных взаимодействий на эволюцию звезд и др. Эти ключевые для теории формирования звезд проблемы трудно проверяемы на практике: любая выборка кратных звезд искажена селекционными эффектами, а важнейшие физические параметры не определяются из наблюдений напрямую.

Особый интерес представляет изучение фундаментальных параметров кратных звезд с компонентами малых масс. Карликовые звезды являются самым распространенным типом населения в Галактике. В частности, в ближайших окрестностях Солнца (с1<25 пк) не менее 70-ти процентов звезд являются карликами классов К-М (Глизе и Ярайс 1991). Современные теоретические модели строения и эволюции маломассивных звезд достигли высокой степени сложности, и необходимые для теории точности определения масс и светимостей часто превышают возможности наблюдательных методов (Барафф и др. 1998). Если для звезд с М>М© высокоточные массы и светимости определяются из наблюдений затменных спектрально-двойных систем, то карлики поздних спектральных классов редко наблюдаются как затменные. Во-первых, размеры карликовых звезд меньше размеров звезд ранних спектральных классов. Во-вторых, маломассивные звезды труднее наблюдать из-за их низкой светимости. В третьих, спектры звезд поздних спектральных классов сильно блендированы. Поэтому до недавнего времени наиболее представительной выборкой эмпирических данных о массах и светимостях холодных карликов оставался обзор Генри и Маккарти (Генри и Маккарти 1993), основанный на результатах наблюдений долгопе-риодических визуально-двойных звезд. Точность определения масс компонент в таких системах не превышает 10−20%.

За последние годы в литературе появились новые данные об основных характеристиках самых маломассивных звезд в двойных и кратных системах. Они получены в результате комбинирования различных наблюдательных методов: построение изображений с применением адаптивной оптики в сочетании сточными измерениями лучевых скоростей (Сегренсен и др. 2000), космическая астрометрия с помощью датчиков точного ведения телескопа НЭТ (Торрес и др. 1999, Бенедикт и др. 2001). Возросший интерес к исследованию маломассивных звезд обусловлен, прежде всего, открытием во второй половине 90-х годов прошлого века первых коричневых карликов (Накаяма и др. 1995) и экзопланет (Майор и Кюлоз 1995). Тем не менее, несмотря на прогресс в изучении маломассивных звезд, дефицит точных знаний об их массах и светимостях сохраняется, особенно для карликов спектральных классов от С до ранних М.

Астрометрическим спутником ШРРАНСОБ обнаружено более трех тысяч кратных звезд в окрестности Солнца (ЕКА 1997). Редукция астромет-рических и фотометрических данных показала, что многие из них являются системами с быстрым относительным движением компонент и, следовательно, — короткопериодическими кратными звездами. Для этих систем спутником измерены тригонометрические параллаксы с ошибкой мед (миллисекунда дуги), а также получены оценки разности блеска. Однако определить параметры орбитального движения по одним лишь измерениям ШРРАИСОЗ не всегда представляется возможным. Кроме того, для уточнения светимостей компонент необходимо привлекать дополнительные измерения разности блеска в разных фотометрических полосах, поскольку для тесных (р<0.3″) пар слабее девятой звездной величины относительная ошибка измерения разности блеска по наблюдениям ШРРАПСОБ часто близка к ста процентам. Данная задача может быть решена с использованием наземных наблюдений с высоким угловым разрешением.

Спекл-интерферометрические измерения звезд регулярно выполняются на б-м телескопе БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН.

Используемая система регистрации и алгоритмы обработки данных позволяют проводить наблюдения маломассивных кратных звезд вплоть до 1Г-15га, С помощью интерферометрии на БТА могут изучаться все кратные звезды, входящие в каталог ШРРАИСОБ. Вышесказанное определяет актуальность данной работы.

Цели и задачи исследования.

Целыо данной работы является определение с дифракционным разрешением 6-м телескопа (0.02″ в полосе V) взаимных расстояний и разности блеска в разных фильтрах компонент кратных систем, преимущественно входящих в списки звезд программы астрометрических измерений спутника ШРРАНСОБ. Подавляющая часть объектов наших наблюдений — близкие (с1<50 пк) звезды спектральных классов от в до поздних М.

На основе интерферометрических измерений систем с быстрым орбитальным движением должны быть вычислены видимые эллипсы орбит, которые позволят с привлечением параллаксов Н1РРА11С08 и данных спектроскопии на других телескопах определить точные массы и светимости компонент. Тем самым мы ставим задачу уточнения эмпирической зависимости «масса-светимость» для звезд нижней части Главной последовательности.

Особое внимание в работе уделяется изучению характеристик и динамических свойств тройных систем с маломассивными компонентами. В частности, одной из целей данного исследования является проверка динамической устойчивости орбит в таких системах.

Методы измерения угловых расстояний и разности блеска в кратных системах.

Для измерения угловых расстояний и разности блеска между компонентами двойной звезды нами используется метод спекл-интерферометрии Ла-бейри (1970). В спекл-интерферометрии изображение объекта с дифракционным разрешением восстанавливается по серии коротко-экспозиционных (~0.01 сек) интерферограмм. Геометрия наблюдаемой двойной определяется из усредненного по ансамблю изображений спектра мощности. Для двойной звезды этот спектр представляет собой косинусоидальную функцию, период которой обратно пропорционален угловому расстоянию между компонентами р, а ориентация полос определяет позиционный угол системы в. Контраст полос спектра мощности несет информацию об относительной яркости компонент. Известно, что в спекл-интерферометрии в связи с потерей информации о фазе позиционный угол пары измеряется с неопределенностью ±180°. Для устранения этой неоднозначности мы используем метод экспоненциальных множителей (Волкер 1981).

При наблюдении тройных звезд итоговый спектр мощности представляет собой наложение спектров подсистем. Как правило, эти спектры по частотам хорошо разделены, так как большинство тройных звезд являются иерархическими системами с существенно различающимися расстояниями между компонентами.

Калибровка масштабов изображений и позиционных углов выполняется двумя разными методами. В первом методе измеряются интерференционные полосы, формируемые в фокальной плоскости с помощью диафрагмы с парой круглых отверстий, установленной в сходящемся пучке главного зеркала. Второй метод использует наблюдения «стандартных» звезд, расстоя-, ния и углы которых хорошо определенык таким калибровочным объектам относятся, в частности, звезды Трапеции Ориона.

Точность измерений зависит от многих параметров, в первую, очередь, от качества изображений, яркости объекта и расстояния между компонентами. Характерное значение ошибки измерений угловых расстояний равно 2−3 угловым миллисекундам, позиционных углов — 0.2−1.0°. Предельная разность блеска между компонентами составляет 3.5−4 зв. величины.

Научная новизна и практическая значимость работы.

1. На телескопе БТА получены позиционные параметры р, в и разность блеска Агп для 85 новых двойных звезд и звезд, заподозренных в двойственности с ошибкой <7Р ~1 мед, сгдт ~0.01−0.1. Тринадцать пар интерферомет-рически разделены впервые.

2. Впервые вычислены интерферометрические орбиты двенадцати двойных звезд. Определены суммарные массы и светимости компонент. Показано, что ошибка определения суммарных масс представленных пар практически полностью определяется точностью измерений тригонометрических параллаксов.

3. Определена комбинированная спектрально-интерферометрическая орбита пары карликов Н1Р 96 656. Построена эмпирическая модель системы и определены массы компонент с ошибкой 2.4% и 2.5%.

4. Вычислена интерферометрическая орбита внутренней подсистемы маломассивной тройной звезды HIP 101 955, на основании чего определена взаимная ориентация плоскостей орбит подсистем и сделаны выводы об иерархичности и динамической стабильности системы.

5. На основе спекл-интерферометрических измерений на БТА оценены периоды орбитального движения тройной звезды HIP 116 384. На базе шестилетних наблюдений сделаны выводы об иерархичности данной системы.

Полученные результаты могут быть использованы для моделирования строения и эволюции, а также для уточнения статистической зависимости «масса-светимость» звезд-карликов поздних спектральных классов. Кроме того, они позволят уточнить эмпирические критерии динамической стабильности кратных звезд.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты спекл-интерферометрических наблюдений на БТА 73 новых двойных и 43 заподозренных в двойственности звезд: позиционные измерения с ошибкой ор мед и измерения разности блеска Am в V-, R-, Iфильтрах с ошибкой адт 01−0.10 звездной величины.

2. Новые орбиты для 12 пар с компонентами спектральных классов F-М, орбитальные периоды Р и большие полуоси а, которых определены с относительными ошибками от 0.2% до 4.5%.

3. Комбинированная спектрально-интерферометрическая орбита двойной звезды HIP 96 656. Фундаментальные параметры компонент, в том числе точные (ошибки 2.4 и 2.5%) динамические массы.

4. Выводы об иерархичности орбит близких тройных звезд HIP 101 955 и HIP 116 384, у которых по предварительным данным предполагалась динамическая неустойчивость.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации докладывались на семинарах и конкурсах научных работ CAO РАН, а также на:

1. Всероссийской астрономической конференции (ВАК-2004), Москва, 2004;

2. Симпозиуме MAC N224 «The A-Star Puzzle», Словакия, 2004;

3. Всероссийской астрономической конференции (ВАК-2005), Москва, 2005;

4. Международной конференции «Multiple Stars across the H-R Diagram», Германия, 2005.

Содержание работы.

Диссертация состоит из Введения, 5-ти глав и Заключения. Работа содержит 30 рисунков, 27 таблиц. Список цитируемой литературы включает 157 наименований. Общий объем диссертации — 155 страниц.

5.4. Выводы.

В результате спекл-интерферометрических наблюдений на БТА вычислены видимые орбиты внутренней и внешней подсистем тройной звезды GJ795=HIP 101 955. Система принадлежит к дисковой составляющей Галактики и имеет возраст 2−3 млрд. лет. Дифференциальная фотометрия компонент системы дала возможность построить модель системы, хорошо согласующуюся с современными эмпирическими и теоретическими зависимостями. На основе элементов орбит вычислены динамические суммарные массы компонент, которые согласуются с их оценками спектральных классов. Нами сделан вывод, что GJ 795 является гравитационно-связанной динамически стабильной иерархической системой. Так как угол между плоскостями внутренней и внешней орбит близок к 90 градусам, для данной системы должен эффективно функционировать механизм Козаи, вызывающий осцилляции эксцентриситетов и угла наклона орбит. За время свойей жизни звезда испытала ~10б таких периодических возмущений.

Анализ спекл-интерферометрических данных, полученных на БТА в период с 2000 по 2006 гг. покзал, что система GJ900=HIP 116 384 образует гравитационно-связанную тройную звезду. Система принадлежит к населению тонкого диска Галактики с возрастом 200±100 млн. лет. На основе спекл-интерферометрических и спектральных данных вычислены абсолютные звездные величины компонент в / - и К — полосах, оценены их массы и спектральные классы. Данные оценки согласуются с результатами, полученными с применением адаптивной оптики на телескопе Subaru в Яи К — полосах. Из оценок орбитальных периодов сделано предположение о принадлежности GJ 900 к классу иерархических кратных звезд. Сравнимые между собой угловые расстояния между компонентами системы объясняются эффектом проекции на небесную сферу.

Спекл-интерферометрические исследования слабоиерархических тройных звезд в солнечной окрестности являются источником новых данных о статистичеких свойствах слабоиерахических кратных звезд: взаимное наклонение орбит в кратной звезде, отношение орбитальных периодов, больших полуосей и масс компонент. Это, в свою очередь, позволяет наложить эмпирические ограничения на модели формироания и эволюции кратных звезд, стабильности орбитального движения компонент.

Элементы орбиты тройной звезды GJ795=HIP 101 955 позволят уточнить эмпирические критерии динамической устойчивости кратных звезд и статистику взаимных наклонов орбитальных плоскостей в кратных системах. Необходимы дополнительные спекл-измерения вблизи положения периаетра внутренней подсистемы для уточнения геометрических параметров орбит. Для подтверждения наших предположений об иерархии тройной звезды СЛ 900=Н1Р 116 384 необходимы дополнительные интерферометри-ческие наблюдения в течение ближайших лет.

Заключение

.

В заключении перечислим основные результаты диссертации. На основе двухлетних спекл-интерферометрических наблюдений на БТА, нами выполнены позиционные измерения и измерения разности блеска 72 новых двойных звезд и 43 звезд с предполагаемой двойственностью из списков ШРРАНСОБ. Из 43 звезд с заподозренной двойственностью, 15 разрешены на БТА, что составляет 35% от общего числа наблюдавшихся звезд такого типа. Еще две пары, Н1Р12 709 и Н1Р 94 349, являются двойными звездами 'О'-типа (построены орбиты по измерениям ШРРАПСОБ). Интерферомет-рические наблюдения на БТА подтвердили их двойственность. Особый интерес представляют системы с угловым расстоянием порядка десятых долей угловой секунды и среднегодовым изменением позиционного угла порядка 10°, так как для них ожидаются короткие периоды орбитального движения. Мы оцениваем, что среди звезд нашей выборки несколько десятков систем удовлетворяют данному критерию. Нами выполнено более сотни измерений разности блеска двойных и тройных звезд в видимом диапазоне спектра на основе интерферометрических данных БТА с ошибкой от 0.020.03 до 0.3 звездной величины, что ставит БТА на одно из первых мест по точности измерения разности блеска тесных двойных звезд в видимом диапазоне спектра.

Впервые получены интерферометрические орбиты 12 новых двойных звезд из каталога ШРРАПСОБ. Орбитальные элементы вычислены на основе спекл-измерений БТА, опубликованных данных других авторов и первого измерения ШРРАПСОБ. В среднем, спекл-наблюдения покрывают не более половины орбитального периода. Тем не менее, ошибки определения периодов и больших полуосей большинства пар не превышают трех процентов. Вычислены динамические массы систем с использованием тригонометрических параллаксов. Точности определния суммарных масс не превышают десяти процентов и дальнейшее уточнение орбитальных элементов практически не изменит ошибки суммарных масс, так как основной вклад вносят ошибки параллаксов ШРРАНСОБ. Для определения масс с ошибкой на уровне процента необходимы на порядок более точные параллаксы. Представленные системы лежат в широком диапазоне спектральных классов, от позднего Р до раннего М. Компоненты двух пар относятся к классу светимости IV. Пять из 12 пар возможно являются 8В2-системами, поэтому для них в первую очередь необходимо проводить спектральные наблюдения.

Среди звезд нашего списка мы выбрали пару карликов СЛ 765.2= Н1Р 96 656 в качестве примера системы, орбитальные элементы которой могут быть определены по интерферометрическим и спектральным измерениям. Интерферометрически пара наблюдается на БТА с 1993 года. Кроме того, для нее доступны многолетние измерения лучевых скоростей компонент, выполненные на спектрометре С011АУЕЬ. Нами построена комбинированная спектрально-интерферометрическая орбита этой звезды. Ошибки измерения масс на основе комбинированного решения на порядок меньше ошибок масс, определенных с использованием тригонометричеких параллаксов. Кроме динамических масс, определены абсолютные звездные величины в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, болометрические светимости, температуры, спектральные классы, показатели цвета, оценена метал личность. Полученный набор фундаментальных параметров позволит наложить ограничения на теоретические модели строения и эволюции карликовых звезд. Вычислен орбитальный параллакс системы, который отличается от тригонометрического параллакса больше чем на За. Разница параллаксов может быть объяснена особенностями стандартной редукции измерений спутника ШРРАПСОБ, в которой не учитывается орбитальное движение компонент.

Особое внимание в работе уделено исследованию звезд из нашего списка, которые интерферометрически разрешаются как тройные системы. Их отличительной особенностью является компактная конфигурация компонент в проекции на картинную плоскость. Это указывает на их возможную динамическую неустойчивость. Для двух звезд Н1Р109 955 и Н1Р116 384, на основе интерферометрических наблюдений, определены параметры орбитального движения, вычислены абсолютные звездные величины, спектральные классы и массы компонент.

Первая из них, СЛ795, является системой поздних К-карликов. Орбитальные элементы удовлетворяют критериям динамической стабильности. Плоскости орбитального движения компонент в подсистемах практически ортогональны друг другу. По нашим оценкам, система испытывает периодические изменения угла наклона и эксцентриситетов с периодом менее тысячи лет.

Вторая звезда, СЛ 900, является системой молодых карликов К-М классов. На основе оценок орбитальных периодов мы предполагаем, что система является иерархической. Компактная конфигурация компонент объясняется нами проекцией действительных расстояний на картинную плоскость.

Тройные звезды, разрешаемые интерферометрически на БТА, в большей степени относятся к классу систем со слабой иерархией. Так как характерные видимые расстояния между компонентами наблюдаемых на БТА кратных звезд составляют десятые и сотые доли угловой секунды, можно за несколько лет интерферометрических и спектральных наблюдений определить физические и орбитальные параметры систем, что в свою очередь позволит уточнить эмпирические критерии стабильности кратных звезд и наложить наблюдательные ограничения на модели кратного звездоформи-рования.

В заключение хочу выразить глубокую признательность своему научному руководителю Балеге Ю. Ю. за постановку задач, интерес к работе и ценные советы. Я благодарен сотрудникам группы «Методы астрономии высокого разрешения» САО РАН Балеге И. И., Максимову А. Ф., Шхаго-шевой З.У. за помощь и поддержку, которую они оказывали мне за время совместной работы.