Ροές προσαύξησης ύλης σε διπλά συστήματα αστέρων

Abstract

White dwarf binaries (Cataclysmic Variables; CVs) are the best objects for the observational study of accretion onto a compact object because of their proximity, short timescale of variations and dominance of accretion radiation over the stellar components (companion is a red dwarf in general). In non-magnetic systems the accretion occurs through a disc of material encircling the white dwarf. The essential role of the accretion disc is the removal of the angular momentum of the orbiting material which allows it to accrete onto the compact object, while at the same time radiating the gravitational energy released. The efficient transport of angular momentum and production of energy have made accretion discs popular in models of quasars and active galactic nuclei, the formation of stars and planets, and interacting binary stars. In magnetic systems, the accretion occurs along magnetic field lines to the polar regions of the compact object. Given a strong magnetic field, formation of an accretion disc can be prevented (AM Her stars). In this thesis, optical spectroscopy is presented, using the 2.5m INT telescope, of the polar AM Her and the intermediate polar V795 Her. The trailed spectra and Doppler maps of He I of the magnetic cataclysmic variable AM Her show a broad emission line from the accretion stream and a narrow emission from the heated hemisphere of the secondary. At least three components were noted in the Hα emission line at trailed spectra and the corresponding Doppler maps. The Hα spectra of V795 Her cover about two binary cycles and the trailed spectra of Balmer line show, except for the typical double peaked emission profile, a weak S-wave component and a transient emission component which is visible only during the second cycle. The Doppler maps reveal the asymmetries caused in the emissivity-velocity map and show how the material from the inner accretion disc falls on the magnetic field of white dwarf. Time-resolved spectroscopy, using the 3.5m telescope at Calar Alto, of EX Draconis, during its 2000 July outburst shows strong spiral waves in the accretion disc in both Balmer and He I lines. NTT spectra of V347 Pup show more clearly the spiral waves in the He I emission lines. V347 Pup is the first novalike system with clear spiral arms in its accretion disc, as evidenced from its HeI Doppler maps. Combining the Doppler maps of the various lines of the system V347 Pup a more complex structure is revealed on the first arm. On the Doppler maps of HeI λ5875 emission line the first arm splits to two smaller and thinner structures. The Doppler map of HeI λ6678 emission line shows that this line dominates the region of thin structure with higher velocities like that on the Doppler map of HeI λ5875 emission line. On the contrary the Hα emission line dominates the region of thin structure with lower velocities. The Hα emission line dominates on the exterior of the first arm, and the emission line of HeI on the interior. Most of NaI is probably emanated from the white dwarf or from the interior of the disc, and then being absorbed by the spiral shocks. Results from the XMM-Newton observations of the dwarf nova YZ Cnc in a quiescent state are presented. A detailed time series analysis of the resulting light curves is presented. Unusually, it has not detected any orbital modulation in the UV, with only marginal evidence for X-ray modulation on this period. Although there are peaks in the X-ray periodograms at periods less than 5000 s, there is evidence that the UV and X-ray fluxes are anti-correlated with a time delay of about 100 s, with the UV lagging behind the X-ray emission. The X-ray spectrum shows similar emission features to other dwarf novae and is well fitted using a multi-temperature emission model. A relatively high X-ray luminosity of 1.4×1032 ergs/s is measured, although this is consistent with a low binary inclination. Finally, there is evidence for a possible -1200 km s-1 blue shift in the fitted Fe K line energies, possibly indicating the presence of an outflow in this low inclination system.

Στην παρούσα διατριβή γίνεται προσπάθεια προσέγγισης ενός από τους πλέον συναρπαστικούς χώρους της Αστροφυσικής και της Αστρονομίας που είναι η μεταφορά και η προσαύξηση υλικού σε διπλά αστρικά συστήματα. Κύριος στόχος είναι η μελέτη ορισμένων συστημάτων που ανήκουν σε μια κατηγορία διπλών συστημάτων που ονομάζονται Κατακλυσμικοί Μεταβλητοί (Cataclysmic Variables). Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν φασματοσκοπικά δεδομένα από Διεθνή Αστεροσκοπεία, με πρωταρχικό στόχο να αναζητηθούν γεωμετρικές δομές κυρίως από τις γραμμές εκπομπής. Για την αναζήτηση τέτοιων δομών αλλά και για τη μελέτη της δυναμικής εξέλιξης των γεωμετρικών και φυσικών ιδιοτήτων της ροής προσαύξησης ύλης, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές μεγιστοποίησης της εντροπίας, όπως είναι η τομογραφία Doppler. Η βασική δομή της διατριβής αποτελείται από εννέα κεφάλαια.Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά των Κατακλυσμικών Μεταβλητών σύμφωνα με γενικά παρατηρησιακά στοιχεία. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το θεωρητικό μέρος της αρχικής Μαθηματικής προσέγγισης ενός δίσκου προσαύξησης. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις που περιγράφουν τη δομή ενός δίσκου προσαύξησης. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική παρουσίαση της βασικής τεχνικής που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη διατριβή, της τομογραφίας Doppler. Γίνεται συνοπτική παρουσίαση των δύο μεθόδων με τις οποίες εκφράζεται η τομογραφία Doppler, του αλγόριθμου Fourier-Filtered Back-Projection και της Μεθόδου Μέγιστης Εντροπίας (MEM), καθώς και εφαρμογές της τομογραφίας σε διπλά αστρικά συστήματα. Παρουσιάζονται τέλος, οι προοπτικές ανάπτυξης της τεχνικής και οι μελλοντικές εφαρμογές της. Στο τέταρτο κεφάλαιο ξεκινάει η ανάλυση των δεδομένων. Γίνεται παρουσίαση των δεδομένων του Μαγνητικού Κατακλυσμικού Μεταβλητού AM του Ηρακλή (AM Her) για διαφορετικές εποχές (multi-epoch). Τα αποτελέσματα της ανάλυσης έδειξαν μια ιδιαίτερα πολύπλοκη δομή στο σύστημα αυτό, που γίνεται ακόμα πιο πολύπλοκη κατά τη χρονική εξέλιξη από επίπεδα χαμηλής κατάστασης (low state) σε επίπεδα υψηλής κατάστασης (high state), χωρίς να έχει δοθεί κανένα πρότυπο (μοντέλο) μέχρι σήμερα για την εξέλιξη και συμπεριφορά τέτοιων συστημάτων. Οι χάρτες Doppler έδειξαν δομές, ειδικά στις χαμηλές καταστάσεις, που ποτέ ως τώρα δεν είχαν καταγραφεί.Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη ενός Ενδιάμεσου Πολικού Κατακλυσμι-κού Μεταβλητού, του συστήματος V795 του Ηρακλή (V795 Her). Η μελέτη των φασμάτων και της τομογραφίας Doppler έδειξε μια πολύπλοκη συμπεριφορά, με εκρηκτικές αλλαγές από τον έναν τροχιακό κύκλο στον άλλο. Η γραμμή απορρόφησης του HeI στα 5875 Å έδειξε ότι το σύστημα αυτό ανήκει στην κατηγορία SW Sex. Στην ομάδα αυτή ανήκουν διπλά μεταβλητά συστήματα που έχουν χαρακτηριστικά από διαφορετικές υποκατηγορίες των Κατακλυσμικών Μεταβλητών. Για το λόγο αυτό η ομάδα αυτή αποτελεί μέχρι σήμερα μια αμφιλεγόμενη κατηγορία που έχει όμως ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά (βλέπε κυρίως κείμενο). Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται στοιχεία που ενισχύουν την ύπαρξη σπειροειδών κρουστικών κυμάτων (spiral shocks) σε νάνους καινοφανείς (dwarf novae). Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί το σύστημα EX του Δράκου (EX Dra). Παράλληλα, η ύπαρξη πολλών γραμμών εκπομπής προσφέρουν τη δυνατότητα δημιουργίας περισσότερων χαρτών Doppler για καλύτερη κατανόηση της δομής του δίσκου. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται για πρώτη φορά αρκετά στοιχεία που δείχνουν τη μόνιμη παρουσία σπειροειδών βραχιόνων σε ομοιοκαινοφανείς αστέρες (novalikes). Γίνεται ανάλυση των σπειροειδών δομών και διαπιστώνεται η ύπαρξη δύο κυματικών μορφών πάνω στο δίσκο (ειδικά στον πρώτο κλονισμό) με διαφορετικές θερμοκρασίες. Στο εσωτερικό κύμα κυριαρχεί η γραμμή εκπομπής HeI στα 6678 Å, ενώ στο εξωτερικό κύμα η γραμμή εκπομπής Hα. Από την ανάλυση των φασματοσκοπικών δεδομένων προκύπτει για πρώτη φορά ότι το εξωτερικό μέρος του δίσκου απορροφάει μερικώς την ακτινοβολία που προέρχεται από το εσωτερικό μέρος του δίσκου ή το λευκό νάνο και η απορρόφηση γίνεται μεγαλύτερη όταν οι σπειροειδείς δομές βρεθούν κάθετα στον άξονα παρατήρησης, γεγονός που φανερώνει ότι το υλικό αυτών των αστρικών δίσκων παρουσιάζει μεγαλύτερη αδιαφάνεια στις περιοχές που βρίσκονται τα σπειροειδή κύματα. Στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση και ανάλυση δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο XMM του νάνου καινοφανούς YZ Cnc σε κατάσταση ηρεμίας. Η ανάλυση συσχέτισης αποκαλύπτει ότι κατά τη διάρκεια σημαντικών UV εκλάμψεων οι ακτίνες X και UV είναι αντι-συσχετισμένες, με τις ακτίνες UV να ακολουθούν τις ακτίνες X κατά περίπου 100 sec. Η φωτεινότητα που υπολογίστηκε στις ακτίνες X, είναι περίπου, η οποία είναι σχετικά υψηλή για ένα νάνο καινοφανή που βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας.Στο ένατο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βασικότερα αποτελέσματα της διατριβής, ενώ επιπλέον αναπτύσσονται οι μελλοντικοί στόχοι για τη συνέχιση της έρευνας στο χώρο αυτό.