Μελέτη επιλεγμένων εκλειπτικών μεταβλητών αστέρων τύπου ΕΑ, οΕΑ και ΕΒ: φυσικές παράμετροι, εξελικτική κατάσταση και τροχιακή εξέλιξη

Abstract

The present doctoral thesis presents new astrophysical information concerning absolute parameters and evolutionary status of 40 eclipsing binaries of EA, oEA and EB type. The systems were selected due to the lack of literature information concerning their complete light curves, absolute parameters and evolutionary status of their components. In addition, the majority of the systems were either candidate for including a pulsating component or they show peculiar orbital period changes. All the categories of variable stars are presented in brief, but we focused mostly on the categories of the eclipsing binaries and δ Scuti type pulsators which they were of prime interest. The fundamental dynamical equations and the Roche geometry of eclipsing binaries as well as the physics of stellar pulsations (e.g. excitation mechanisms) are also presented. We briefly describe the fundamentals of CCD and the general use of the CCD images in Astronomy. The main observing site for the data collection was the Gerostathopouleion observatory of the University of Athens (~95% of the total observations), while the Kryonerion observatory and the Skinakas observatory were used as additional observing sites for either fainter objects or for applying another observation technique. Concerning our observational methods used, a detailed description is given for the CCD data reduction techniques of differential aperture photometry and slit spectroscopy for the eclipsing binaries and pulsating stars. In particular, we discuss in detail the steps that should be made using modern photometry and spectroscopy tools in order one to obtain a light curve of an eclipsing binary or a pulsating star, calculate the respective times of minima/maxima, obtain its radial velocity curve and classify the spectral type of the component(s). The data analysis of the eclipsing binaries was based on the W-D code using the PHOEBE software. For the cases of eclipsing binaries including a δ Scuti component, their light curve residuals were furthermore analysed with the Fourier method, using the software PERIOD04, in order to calculate the pulsating frequencies and estimate the excitation modes. Given that the most of the selected systems show orbital period changes, the influence of the most possible physical mechanisms in the system’s orbital period (i.e. Light-Time effect, mass exchange, mass loss, Applegate mechanism and apsidal motion) and their respective mathematical background are presented in full detail. It is shown that the results of the O−C diagram analysis can be combined with the results of the light and radial velocity curves solution in order to obtain a more comprehensive view of the system. Particularly, it is shown that it is feasible to find the best Roche geometry that describes the system (e.g. detached or semidetached configuration), or to conclude about the existence of a third body orbiting the system, if one compares qualitatively and/or quantitatively the results of these two independent methods of analysis. The light curves of ten detached and twelve semidetached systems were analysed, while, since most of them have variable orbital period, an O−C analysis was also performed. The results of the light curve modelling were used to calculate the absolute parameters and estimate the present evolutionary status of their components. In the cases where orbital period modulation was detected, the results of light curve and O−C analyses were compared and the most possible explanations were proposed. In order to check the accuracy of the methods used, we compared our results with the sample of well studied detached and semidetached systems of İbanoğlu et al. (2006). The comparison showed that, except for a few members of some systems, all the components follow well the distributions of İbanoğlu et al. (2006) in the M-R and CM diagrams. In addition, since all systems have total mass less than 3 Μ, they can be considered as very useful information for this range of masses in the sample of İbanoğlu et al. (2006). Mass-Luminosity relations were calculated but they did not differ significantly from those of İbanoğlu et al. (2006). The most significant part of this thesis, which offers very valuable astrophysical information, is the survey for the eclipsing systems with a pulsating component. Given that this field of Astrophysics combines the eclipsing binaries and the Asteroseismology and, in addition, that there only a few known such systems, our new observations, discoveries and results can be considered very important. We tested over a hundred candidate systems for including a δ Scuti component and we discovered thirteen new cases for which we performed systematic observations in order to cover the whole light curves and obtain the most possible detailed frequency study. In addition, we observed for the same reasons mentioned before eight already known such systems, which they were generally neglected so far. The steps of the analysis of these systems were the same with those described in the previous paragraph, but the Fourier method was also applied in order to perform the frequency search. Using the results of the 79 known so far such systems, new correlations between pulsation frequency and fundamental stellar characteristics were found, while the basic characteristics of the δ Scuti binary-members are now well distinguished from those of the single δ Scuti stars. However, through this investigation some of critical questions, such as e.g. how the mass transfer affects the pulsations or which mechanism plays a significant role for an A-F Main Sequence star to become a pulsator, remain still open.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιέχει νέες αστροφυσικές πληροφορίες, που σχετίζονται με τις απόλυτες παραμέτρους και την εξελικτική κατάσταση 40 εκλειπτικών συστημάτων τύπου EA, oEA και EB. Ο τρόπος επιλογής των συστημάτων βασίστηκε στην ανυπαρξία πλήρων καμπυλών φωτός και έλλειψη γνώσης αναφορικά με τις απόλυτες παραμέτρους και την εξελικτική τους κατάσταση. Επιπροσθέτως, η πλειοψηφία των συστημάτων που επελέγησαν ήταν υποψήφια να περιέχουν παλλόμενο αστέρα-μέλος ή να παρουσιάζουν μεταβολές στην τροχιακή τους περίοδο. Παρουσιάζονται περιληπτικά όλες οι κατηγορίες των μεταβλητών αστέρων, και γίνεται ιδιαίτερη εμβάθυνση στις κατηγορίες των εκλειπτικών συστημάτων και τους παλλόμενους αστέρες τύπου δ Sct. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις της νευτώνειας μηχανικής βάσει των οποίων υπολογίζονται οι απόλυτες παράμετροι των διπλών συστημάτων και η φυσική των αναπάλσεων (π.χ. μηχανισμοί διέγερσης). Συνοπτικά παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας του CCD και η χρήση του στην Παρατηρησιακή Αστροφυσική. Περίπου το 95% των φωτομετρικών δεδομένων ελήφθησαν από το Γεροσταθοπούλειο Πανεπιστημιακό Αστεροσκοπείο, ενώ στο Αστεροσκοπείο Κρυονερίου Κορινθίας και στο Αστεροσκοπείο Σκίνακα ελήφθησαν επιπλέον δεδομένα που αφορούσαν είτε φωτομετρία σε αμυδρότερους αστέρες είτε φασματοσκοπία. Αναφορικά με τις παρατηρησιακές μεθόδους που εφαρμόστηκαν, δίνεται μία πλήρης και λεπτομερής παρουσίαση για τις τεχνικές επεξεργασίας των δεδομένων και συγκεκριμένα για τη διαφορική φωτομετρία διαφράγματος και τη φασματοσκοπία με φασματογράφο φράγματος και τον τρόπο που εφαρμόζονται στις παρατηρήσεις διπλών συστημάτων και παλλόμενων αστέρων. Η ανάλυση των δεδομένων των εκλειπτικών συστημάτων βασίστηκε στον κώδικα W-D υπό το λογισμικό PHOEBE. Στις περιπτώσεις εκλειπτικών συστημάτων με μέλος αστέρα τύπου δ Sct, στα υπόλοιπα της αφαίρεσης μεταξύ παρατηρησιακών και θεωρητικών καμπυλών φωτός εφαρμόστηκε η μέθοδος Fourier χρησιμοποιώντας το λογισμικό PERIOD04, έτσι ώστε να υπολογιστούν οι συχνότητες ανάπαλσης και να εκτιμηθούν οι τρόποι διέγερσής τους. Δεδομένου ότι τα περισσότερα από τα επιλεγμένα συστήματα παρουσίαζαν ενδιαφέρουσες μεταβολές της τροχιακής περιόδου τους, παρουσιάζονται αναλυτικά οι πιθανοί μηχανισμοί διαμόρφωσης της τροχιακής περιόδου ενός διπλού συστήματος (Light-Time effect, ανταλλαγή μάζας, απώλεια μάζας, μηχανισμός Applegate και η μετάθεση της γραμμής των αψίδων) με το αντίστοιχο φυσικό και μαθηματικό τους υπόβαθρο. Επίσης, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στον συνδυασμό αποτελεσμάτων από την ανάλυση καμπυλών φωτός (και καμπυλών ακτινικών ταχυτήτων) και από την ανάλυση των O−C διαγραμμάτων, ο οποίος προσδίδει μία πολύ πιο πλήρη εικόνα του εκλειπτικού συστήματος. Συγκεκριμένα, αποδεικνύεται ότι είναι δυνατόν να βρεθεί η σωστότερη γεωμετρία Roche που περιγράφει το σύστημα (π.χ. αποχωρισμένο ή ημιαποχωρισμένο) ή ακόμα και να προκύψουν συμπεράσματα αναφορικά με την ύπαρξη επιπρόσθετων αστέρων στο σύστημα, αν συνδυαστούν τα αποτελέσματα ποσοτικά ή/και ποιοτικά που προέκυψαν από αυτές τις δύο ανεξάρτητες μεθόδους ανάλυσης. Αναλύθηκαν 10 καμπύλες φωτός αποχωρισμένων και 12 ημιαποχωρισμένων εκλειπτικών συστημάτων, ενώ καθώς τα περισσότερα παρουσιάζουν μεταβολές της τροχιακής τους περιόδου αναλύθηκαν επιπλέον και τα O−C διαγράμματά τους. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα φωτομετρικά μοντέλα των συστημάτων αυτών χρησιμοποιήθηκαν ακολούθως για να υπολογιστούν οι απόλυτες παράμετροί και για να εκτιμηθεί το παρόν εξελικτικό στάδιο των αστέρων-μελών τους. Στις περιπτώσεις όπου εντοπίστηκαν ιδιάζουσες μεταβολές της τροχιακής περιόδου, τα αποτελέσματα των φωτομετρικών μοντέλων συνδυάστηκαν με αυτά από την O−C ανάλυση και προτάθηκαν οι πιθανότεροι φυσικοί μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα στο σύστημα και ευθύνονται για τις μεταβολές της τροχιακής περιόδου. Για να ελεγχθεί τόσο η ακρίβεια όσο και η ορθότητα των μεθόδων που εφαρμόστηκαν για την ανάλυση των συστημάτων, έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων με αντίστοιχα τα οποία έχουν προκύψει σε άλλα συστήματα, για τα οποία υπάρχει τόσο φωτομετρική όσο και φασματοσκοπική πληροφορία και οι παράμετροί τους έχουν υπολογιστεί με μεγάλη ακρίβεια (İbanoğlu et al. 2006). Η σύγκριση έδειξε ότι όλοι οι αστέρες-μέλη των συστημάτων που παρουσιάστηκαν, εκτός από μερικούς σε αποχωρισμένα συστήματα, ακολουθούν πολύ καλά τις κατανομές των İbanoğlu et al. (2006) στα διαγράμματα M-R και CM. Επιπροσθέτως, εφόσον όλα τα συστήματα έχουν συνολική μάζα μικρότερη από 3 Μ, αποτελούν χρήσιμη πληροφορία σε αυτό το εύρος μαζών στο δείγμα των İbanoğlu et al. (2006), ενώ οι συσχετίσεις M-L έδειξαν ότι με την προσθήκη αυτής της πληροφορίας δεν μεταβάλλονται σημαντικά. Η κυριότερη συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι η μακράς διαρκείας έρευνα για τον εντοπισμό παλλόμενων αστέρων τύπου δ Sct σε εκλειπτικά συστήματα. Δεδομένου ότι αυτός ο τομέας της σύγχρονης Αστροφυσικής συνδυάζει την Αστεροσεισμολογία και τη φυσική των εκλειπτικών συστημάτων, αλλά και ότι έως τώρα είναι γνωστά πολύ λίγα τέτοιου είδους συστήματα, οι παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής και οι ανακαλύψεις που έγιναν μπορούν να θεωρηθούν ιδιαίτερα πολύτιμες. Παρατηρήθηκαν πάνω από 100 υποψήφια τέτοια συστήματα, από τα οποία σε 13 εντοπίστηκε παλλόμενος αστέρας τύπου δ Sct. Σε αυτές τις περιπτώσεις, καλύφθηκαν πλήρως οι καμπύλες φωτός και έγινε λεπτομερή ανάλυση των αναπάλσεών τους. Για τους ίδιους προαναφερόμενους λόγους, παρατηρήθηκαν άλλα 8 τέτοιου τύπου συστήματα τα οποία ήταν μεν γνωστά, αλλά δεν υπήρχε πλήρης ανάλυση στη βιβλιογραφία. Τα βήματα της ανάλυσης που ακολουθήθηκαν ήταν τα ίδια με αυτά που περιγράφηκαν στις προηγούμενες παραγράφους (ανάλυση καμπυλών φωτός και ακτινικών ταχυτήτων και ανάλυση των O−C διαγραμμάτων), αλλά επιπροσθέτως εφαρμόστηκα και η μέθοδος Fourier για την εξεύρεση του μοντέλου των αναπάλσεων. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα 79 τέτοιου τύπου συστημάτων, τα οποία είναι γνωστά έως σήμερα, έγιναν συσχετίσεις μεταξύ της περιόδου ανάπαλσης και διαφόρων βασικών αστρικών παραμέτρων, ενώ προέκυψαν ξεκάθαρες διαφορές μεταξύ των αστέρων τύπου δ Sct που ανήκουν σε διπλά συστήματα από τους μεμονωμένους. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της έρευνας προέκυψαν κρίσιμα ερωτήματα, όπως π.χ. πως η μεταφορά μάζας επηρεάζει τις αναπάλσεις ή ποιοι αστέρες φασματικού τύπου A-F γίνονται παλλόμενοι τύπου δ Sct, τα οποία παραμένουν ανοικτά.