Μελέτη και μοντελοποίηση διπλών εκλειπτικών συστημάτων αστέρων τύπου W UMa

Abstract

Η μελέτη των διπλών εκλειπτικών συστημάτων παραμένει ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ερευνητικά πεδία της αστροφυσικής γιατί παρέχει την πιο ακριβή μέθοδο υπολογισμού των βασικών αστρικών μεγεθών (μαζών, ακτίνων, θερμοκρασιών) αλλά και κάθε μορφής αστρικής δραστηριότητας που αναπτύσσεται (κηλίδες, δίσκοι προαύξησης ύλης, αναπάλσεις) μέσα από τη μακρόχρονη μεταβολή της περιόδου τους. Επιπλέον επιτρέπει τον έλεγχο των θεωριών αστρικής εξέλιξης μέσα από την αλληλεπίδρασή τους αλλά και την πρόβλεψη παρουσίας τρίτων σωμάτων αστρικής ή μη φύσης.Σε αυτήν τη διατριβή μελετάται μία ιδιαίτερη κατηγορία διπλών εκλειπτικών συστημάτων σε επαφή, τα W UMa τα οποία αποτελούνται από αστέρες κύριας ακολουθίας οι οποίοι βρίσκονται σε υπερεπαφή, και χαρακτηρίζονται από τις μικρότερες περιόδους κι άρα από τη μικρότερη στροφορμή. Σκοπός της είναι τόσο η παρατηρησιακή μελέτη και ανάλυση συστημάτων W UMa που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον όσο και η ανάγκη ανάπτυξης μεθοδολογίας μοντελοποίησης για την εξαγωγή της μέγιστης πληροφορίας και ελέγχου των εξαγόμενων φυσικών παραμέτρων κάτω από την εφαρμογή σύγχρονων στατιστικών μεθόδων.Το πρώτο μέρος της επικεντρώνεται στη σκιαγράφηση του θεωρητικού επιστημονικού πλαισίου περιγραφής των διπλών εκλειπτικών αστρικών συστημάτων σε επαφή. Το Κεφάλαιο1 αναφέρεται στη γεωμετρία των τροχιών και στη φυσική των αστέρων του συστήματος, στην περιγραφή του μοντέλου Roche και στην αλληλεπίδραση των μελών καθώς και στη δυναμική των συστημάτων όπως αυτή εκδηλώνεται από την παρατηρούμενη μεταβολή της περιόδου του.Το Κεφάλαιο 2 αναφέρεται στις φωτομετρικές παρατηρήσεις που έγιναν κατά την διάρκεια της παρούσας διατριβής καθώς και στις αυτοματοποιημένες μεθόδους επεξεργασίας και ανάλυσης των παρατηρησιακών αστρονομικών δεδομένων οι οποίες αναπτύχθηκαν. Το Κεφάλαιο 3περιγράφει τις σύγχρονες τεχνικές μοντελοποίησης και τα προγράμματα ανάλυσης για τηλύση του αντίστροφου προβλήματος. Το Κεφάλαιο 4 περιγράφει την αναζήτηση, εξόρυξη και αυτόματη ανάλυση δεδομένων από παρατηρησιακές αστρονομικές επισκοπήσεις και την εφαρμογή του κώδικα τεχνητών νευρωνικών δικτύων EBAI.Το δεύτερο μέρος επικεντρώνεται στην αναλυτική μελέτη επιλεγμένων στενών διπλών συστημάτων W UMa με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Σε όλα τα επιλεγμένα συστήματα παρουσιάζεται η φωτομετρική τους μελέτη κάτω από το φως νέων BV RcIc παρατηρήσεων, η μελέτη της περιόδου, το εξαγόμενο μοντέλο σε συνδυασμό με φασματοσκοπικά δεδομένα, ο προσδιορισμός τροχιακών και φυσικών παραμέτρων και η θέση τους σε εξελικτικά διαγράμματα.Επίσης γίνεται η διερεύνηση του προτεινόμενου μοντέλου για μοναδικότητα στο χώρο των λύσεων μέσα από σάρωση με εισαγωγή διαταραχών ή άλλων στατιστικών μεθόδων και ο στατιστικός προσδιορισμός των σφαλμάτων των παραμέτρων. Συγκεκριμένα στο Κεφάλαιο5 παρουσιάζεται το ενοποιημένο μοντέλο του συστήματος TY Boo δύο κηλίδων που ερμηνεύει τη συμπεριφορά του την περίοδο 1969-2011 και τη μελέτη της περιόδου του. Σύμφωνα με αυτό το σύστημα TY Boo ανήκει στην υποκατηγορία W των W UMa με μικρό βαθμό επαφής f = (7.6 ±0.8)% και η μακρόχρονη μελέτη της περιόδου του δείχνει μακροχρόνια μείωση (dP/dt = −3.65x10^−8 d yr^−1 ) και μία περιοδικότητα (P3 = 58.9yrs, A = 0.0254 days)η οποία, χωρίς να αποκλείεται η παρουσία τρίτου σώματος, ερμηνεύεται με ενεργό μαγνητικό κύκλο που προκαλεί την εμφάνιση κηλίδων.Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται για πρώτη φορά η λεπτομερής ανάλυση του συστήματος WUMa, FI Boo το οποίο ταξινομείται στην υποκατηγορία W, με βαθμό επαφής f = (50.15 ±8.10) %, κάτω από την παρουσία τρίτου σώματος το οποίο μπορεί να παίζει σημαντικό ρόλο στη δημιουργία και την εξέλιξή του. Σύμφωνα με το προτεινόμενο μοντέλο προσδιορίζονται οι μάζες Mh =0.40 ± 0.05 Msun , Mc =1.07 ± 0.05 Msun , και οι θερμοκρασίες Th = 5746±33Κ, Tc = 5420±46 Κ των αστέρων-μελών του καθώς και των προγεννητόρων τους (1.71 ±0.10 Msun και 0.63 ± 0.01 Msun , αντίστοιχα) και διερευνάται το εξελικτικό στάδιο του αστέρα με τη μεγαλύτερη μάζα μέσα από ισόχρονες.Στο Κεφάλαιο 7 διερευνάται σε βάθος το σύστημα σε επαφή V1003 Her, το οποίο χαρακτηρίζεται από μεταβολή μικρού πλάτους, με πολλαπλά μοντέλα για τα οποία ελέγχεται η σταθερότητα των με ανεξάρτητες μεθόδους. Το επικρατέστερο από αυτά δείχνει ότι το σύστημα είναι W UMa με βαθμό επαφής f = (36±10) %, με ασυνήθιστα άνισες θερμοκρασίες μεταξύ των αστέρων του 550 Κ, και λόγο μαζών q = 0.373. Η μικρή του κλίση i = 38^o ±1^ο το καθιστά ένα από τα μεγαλύτερης μάζας στην υποκατηγορίας W.Στο Κεφάλαιο 8 εξετάζεται η φύση του διπλού συστήματος HI Dra, η λεπτομερής ανάλυση του οποίου δείχνει ότι είναι W UMa με μικρό βαθμό επαφής f = (24 ± 4) % και διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των αστέρων του 330 Κ. Προτείνονται και διερευνώνται εξονυχιστικά δύο μοντέλα με κηλίδες από τα οποία επικρατέστερο, με ψυχρή κηλίδα πάνω στον μικρότερης μάζας και ψυχρότερο αστέρα- τον τοποθετεί στην υποκατηγορία Α. Προσδιορίζονται οι φυσικές παράμετροι των μελών του (M = 1.72 ± 0.08Msun , Mc = 0.43 ± 0.02 Msun , Rh =1.98 ± 0.03Rsun , Rc = 1.08 ± 0.02 Rsun , Lh = 9.6 ± 0.1 Lsun , Lc = 2.4 ± 0.1 Lsun ) και των προγεννητόρων τους (1.11 ± 0.03 Msun και 2.25 ± 0.07 Msun, αντίστοιχα) και προσεγγίζεται η ηλικία του συστήματος σε 2.4 Gyr .Τέλος στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται τα πρώτα αποτελέσματα από τις φωτομετρικές παρατηρήσεις με το τηλεσκόπιο Αρίσταρχος 2.3 m, διπλών εκλειπτικών συστημάτων με ιδιαίτερο ενδιαφέρον που ανακαλύφθηκαν ή παρατηρήθηκαν από την διαστημική αποστολή Kepler με περιόδους περιφοράς < 0.45 d, τα οποία παρουσιάζουν ασυμμετρίες στην καμπύλη φωτός, χρονικές μεταβολές των εκλείψεων των μελών τους ή είναι εν δυνάμει τριπλά συστήματα. Τα πρώτα αποτελέσματα αφορούν τα συστήματα KIC 11246163 και KIC 4563150τα οποία ταξινομούνται ως συστήματα τύπου W UMa, W υποκατηγορίας με πιθανό τριτο συνοδό.