Precyzyjne pomiary rotacji i orbitalnego momentu pędu w układach podwójnych gwiazd, jako test modeli powstawania i ewolucji

Szacujemy, że około połowa gwiazd w naszej Galaktyce to układy fizycznie podwójne, czyli układy dwóch gwiazd krążących wokół wspólnego środka masy. Mogą one posłużyć za bardzo precyzyjne laboratoria astrofizyczne, dzięki którym poznamy nie tylko ich podstawowe parametry fizyczne, ale również dowiemy się o ich historii, jak powstały, jak przebiegała ich ewolucja, a także jaki będzie ich prawdopodobny koniec. Aby dokładnie badać gwiazdy pojedyncze konieczne jest przyjrzenie się ich towarzyszom w układach złożonych. Uzyskane w ten sposób informacje będą mogły posłużyć nie tylko badaniu samych gwiazd, ale także ich bardziej złożonych struktur, jak gromady gwiazd, galaktyki czy gromady galaktyk. Wyznaczanie odległości czy modelowanie procesów zachodzących w sercu gwiazd, a także na ich powierzchni to kolejne zastosowania, które zyskają na lepszym poznaniu układów podwójnych.

Autor podczas pracy z jednym z instrumentów wykorzystywanych do badań układów podwójnych. W tle 1.9m teleskop w Południowoafrykańskim Obserwatorium Astronomicznym (SAAO, RPA).

Fot. Stanisław Kozłowski

Głównym celem mojego projektu jest zbadanie nachylenia osi obrotu gwiazd, oznaczanego na rysunkach symbolem ω, wchodzących w skład układów podwójnych zaćmieniowych, do orbitalnego momentu pędu, oznaczonego na rysunku symbolem L. Kąt pomiędzy tymi wektorami jest określany mianem nachylenia spinu gwiazdy do orbity układu (inkinacja spin-orbita). Ze względu na trudności obserwacyjne, które występowały do tej pory, jest to zjawisko słabo zbadane i oparte jedynie na kilku przykładach. Jednak nawet w tych kilku przykładach wartości spinów wyznaczono w rzeczywistości jedynie dla kilku układów, a i to nie dla wszystkich składników. W dotychczasowych badaniach naukowych brakuje kompleksowego przeglądu, którego rezultat miałby istotny wpływ na kształt modeli powstawania i ewolucji gwiazd oraz planet, a także pozwoliłby zweryfikować kilka założeń powszechnie używanych w modelowaniu układów podwójnych, jak wyrównanie spinu i orbitalnego momentu pędu.

Problem badawczy, a więc mierzenie wyrównania dwóch wektorów w przestrzeni ilustrują załączone rysunki 1 i 2. Jeden wektor to wektor związany z obrotem gwiazdy, a drugi to wektor związany z orbitą układu podwójnego. Rysunek 1 przedstawia typową sytuację, która jest zakładana w większości publikacji i numerycznych kodów modelujących układy podwójne. Osie obrotu gwiazd oraz orbitalny moment pędu są wyrównane. Jak się okazuje, nie jest to jednak jedyny możliwy układ. Rysunek 2 ilustruje jedną z możliwości, na którą możemy natrafić badając układy podwójne. Taka konfiguracja otwiera nowe pole w badaniach ewolucji i powstawania gwiazd, a częstość występowania tak nietypowych, jak dotychczas się wydawało, układów narzuci nowe światło na stosowane do tej pory modele.

Rys. 1. Typowa konfiguracja nachyleń spin-orbita w układach podwójnych. Zakładana w większości publikacji oraz modeli numerycznych powstawania i ewolucji układów podwójnych.

Rys. 2. Jeden z możliwych układów, jaki mogłyby przyjąć osie obrotu gwiazd oraz orbitalny moment pędu. Jednym z pytań, na które postaram się odpowiedzieć, jest pytanie o częstość i możliwość występowania układów podwójnych z istotnie zaburzonym wyrównaniem tych trzech wektorów.

Jednym z pytań, na które odpowiem prowadząc badania, jest pytanie, czy gwiazdy powstają z nachylonymi osiami spin-orbita i jakiej skali jest to zjawisko. Ze względu na specyficzną konfigurację układów zaćmieniowych gwiazd planujemy wykorzystać efekt Rossitera-McLaughlina (zjawisko astronomiczne, polegające na przesłanianiu części obracającej się gwiazdy przez inny obiekt, co powoduje asymetrię w ilości światła dochodzącej do obserwatora z różnych części gwiazdy; te części w wyniku obrotu gwiazdy mają różne prędkości w stosunku do obserwatora i poprzez efekt Dopplera różne przesunięcia widmowe, które możemy zmierzyć) do badania rozkładu prędkości na tarczy gwiazd. Zmiana kształtu linii widmowych spowodowana zaćmieniem gwiazd może zostać wymodelowana i posłużyć do określenia nachylenia spin-orbita.

Autor w trakcie oznaczania i testów lokalizacji pod jeden z teleskopów robotycznej sieci Solaris w Australii (Siding Spring Observatory, Australia).

Fot. Stanisław Kozłowski

Mgr Piotr Waldemar Sybilski

Doktorant w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika (CAMK) w Toruniu. Należy do zespołu zajmującego się problematyką planet, układów podwójnych i wielokrotnych gwiazd. Główne zagadnienie, którym się aktualnie zajmuje to niekeplerowskie efekty w układach podwójnych: efekty relatywistyczne, efekty pływowe, efekt Rossitera McLaughlina, precyzyjna fotometria i spektroskopia oraz poszukiwanie planet okołopodwójnych poprzez chronometraż zaćmień. Aktualnie prowadzi kampanię obserwacyjną, badającą wybrane efekty niekeplerowskie oraz zajmuje się uruchomieniem sieci robotycznych, 0.5 m teleskopów – www.projektsolaris.pl.

Data publikacji: 08.08.2012